導電潤滑脂在載流摩擦中的應用研究進展

摘要：載流摩擦常出現在電力傳輸系統、現代軌道交通系統、工業發電機、電磁軌道炮等領域，如高鐵的大幅增速帶來的弓網系統載流量增加，導致電弓運行溫度上升和磨損加劇，縮短了系統壽命。在電氣工業設備中，電元素的介入導致摩擦過程電弧的產生，加劇了金屬點蝕，導致潤滑失效。本文將從載流摩擦的產生與影響角度出發，結合導電潤滑脂的潤滑摩擦機制和導電機理，介紹了導電潤滑脂的在載流摩擦中的應用現狀及研究進展，最后，總結了當前研究中的主要成就與挑戰，并展望了未來的研究方向。

關鍵詞：軌道交通；載流摩擦；導電潤滑脂；潤滑性能

中圖分類號：TQ317文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）04-0059-04

Research progress on the application of conductive grease in current carrying friction

LUAN Jianyang1，LI Zhiguo1，LI Ying2，CHEN Qi2

（1.CRRC Tangshan Locomotiveamp;Rolling Stock Co.，Ltd.，Tangshan 063011，Hebei China；

2.Guangzhou GRG Metrologyamp;Test Co.，Ltd.，Guangzhou 510656，China）

Abstract：Current-carrying friction is commonly appears in power transmission systems，modern rail transit sys-tems，industrial generators，electromagnetic railguns，and other fields，such as the high-speed rail，its rapid growth brought about by the increase in the current load of the grid system，resulting in the pantograph operating tempera-ture rise and wear intensification，shortening the system life.In electrical industrial equipment，the involvement of electrical elements leads to the generation of electrical arcs during the friction process，which intensifies metal pit-ting and results in lubrication failure.This paper，starting from the generation and impact of current-carrying fric-tion，and in combination with the lubrication friction mechanism and electrical conduction mechanism of conductive grease，introduces the current application status and research progress of conductive grease in current-carrying fric-tion.Finally，the main achievements and challenges in current research are summarized，and the future research di-rectionis prospected.

Key words：railway transportation；current-carrying friction；conductive grease；lubricating property

“復興號”列車的最高運行速度可達到400 km/h，但大幅提速隨之而來的是弓網系統載流量倍增，電弓運行溫度陡升、磨損加劇，進而導致弓網壽命不同程度的縮減[1]。而在電氣工業設備這種工況復雜的使用場景中，各類零部件接觸界面相互運動時電元素的介入會加速金屬點蝕，進而產生潤滑失效。因此，載流摩擦的系統性深入研究對工業發展起著至關重要的作用。

載流摩擦磨損是指在電場環境下摩擦副的相對運動伴隨電流通過產生的摩擦磨損行為，不僅具備相對運動帶來的機械磨損，同時還有電流介入帶來的電弧侵蝕[2]。與傳統摩擦學研究相比，載流摩擦中的電流介入帶來的磨損也更加嚴重，對潤滑材料的各方面性能要求也更加嚴苛。本文將從載流摩擦的產生和影響出發，總結導電潤滑脂的導電、潤滑、減摩抗磨機制，并分類概述導電潤滑脂在載流摩擦中的應用。

1載流摩擦的研究進展

載流摩擦磨損是一種特殊工況下的摩擦磨損，載流摩擦系統包括機械摩擦系統和電系統如圖1所示，系統中電弧、電阻、摩擦均產生熱量，摩擦副的接觸面也包括了變形層、電弧腐蝕和氧化層，同時存在機械磨損、電弧侵蝕、氧化等多種失效機制[3]。摩擦副的接觸面在微觀尺度上凹凸不平，微凹坑和微凸峰作為兩摩擦副的微觀上的接觸點承擔著負載和傳導電流的作用。電流通過這些導電接觸點時會發生收縮現象、產生局部附加電阻，使得接觸點的電流密度遠高于名義電流密度。在相對運動過程中，伴隨著剪切力的作用，產生大量集中于接觸點的摩擦熱、電阻熱，接觸區域不斷遭到破壞、和材料轉移[4-5]。

圖2列出了載流摩擦副中常見的損傷行為[6]。楊正海等[7]將磨損表面分為機械磨損區和電弧侵蝕區，前者主要表現為犁溝和碾壓等，而后者以材料熔融為主，且多分布于磨損表面的邊緣。接觸點在摩擦作用下產生的局部高溫，使材料發生軟化、斷裂和脫落，帶來機械磨損：磨粒磨損、塑性變形、疲勞剝落[8]。

載流摩擦的過程除了傳統的機械摩擦過程會產生的機械磨損和腐蝕磨損外，還會產生電弧侵蝕[4]。在摩擦表面相對高速運動過程中，摩擦副之間的接觸點不穩定，會導致局部失接觸，產生放電間隙，從而產生電弧[6]。電弧的產生會使摩擦副接觸表面的瞬時溫度迅速上升，引起摩擦副材料熔化、噴濺或者蒸發，并在摩擦副表面產生大量的燒蝕坑，進而產生電弧侵蝕，接著進一步擴大磨損量[2]。摩擦副的相對運動速度的提升會加劇振動沖擊，離線電弧更易發生，伴隨著電弧加熱，材料表面塑性變形抗力喪失，材料表面的摩擦磨損性能下降[9]。因此，在討論載流摩擦磨損行為時，不僅需要考慮到傳統摩擦學涉及到的載荷、速度和摩擦副的粗糙度之外，也必須考慮到電流引起的電弧帶來的耦合作用。

霍金元等[10]對載流摩擦下的電流的作用進行探究。Romanenko[11]通過研究多種潤滑脂性能與外加電流作用的關系，探究了軸承電蝕的機理。此外，外部電場的施加可能導致局部放電、電黏度上升、微氣泡、和潤滑劑流動不穩定等，對潤滑油膜狀態造成影響[12]。

某些情況下，電流作用更加不易察覺。李含欣[13]針對不同溫度和濕度條件下銅/碳接觸載流摩擦行為進行了研究，發現濕度條件可以通過影響摩擦副的接觸狀態而影響摩擦行為。而導電潤滑脂通過加入導電添加劑，可以降低潤滑脂的體積電阻率，預防摩擦副放電[14]。

2載流摩擦下導電潤滑脂和其潤滑機制

潤滑劑通常被分為液體、半固體和固體，即潤滑油、潤滑脂[15]和固體潤滑劑[16]。本文將會重點論述導電潤滑脂，由于其粘滯性高等特點，具有高承載性和極壓抗磨性，廣泛用于工業機械中，在機械表面起到良好的潤滑、密封等作用。導電潤滑脂作用在機械設備的接觸表面之間可以起到很好的分隔作用，使接觸表面更光滑，從而達到減小摩擦和磨損的目的。

載流摩擦潤滑脂的導電機理主要包括以下方面：（1）隧穿效應：當電子能量低于閾值時，能穿過勢壘，形成隧道路徑，使電流通過，增強潤滑脂導電性；（2）滲流理論：導電粒子體積分數達臨界值時，粒子互接觸形成導電網絡，降低潤滑脂體積電阻率，提升導電性；（3）場發射理論：導電粒子間距大時，強電場激發場致發射電流，穿過絕緣物質，產生電流；（4）Gurland網鏈理論：導電粒子平均接觸數達某量級后，電阻急劇下降；（5）導電團簇理論：金屬粒子聚集，形成導電團簇，使體系從絕緣轉為導電，改善潤滑脂導電能力[17]。

當導電顆粒達到一定的體積分數時，就會出現所謂的“滲流閾值”，超過這一濃度，導電網絡就能形成。導電粒子之間的間距足夠接近，以便電子可以通過粒子間的接觸或者量子隧穿效應進行傳輸，即使粒子之間未能相互接觸，電子也會從一種粒子躍遷至另一種粒子中，即電子躍遷，形成導電電流[18]。

總的來說，理解這些導電潤滑脂背后的各種機制對于優化其在涉及載流摩擦的應用中的表現至關重要。

3載流摩擦中導電潤滑脂的應用

在2節中提到了載流摩擦帶來電元素的介入的影響，除了帶來電阻熱以外，還會因電弧腐蝕加劇摩擦副的腐蝕。導電潤滑脂在接觸面間的應用可以起到很好的保護接觸點的作用，防止與周圍的氧、水分子、硫等腐蝕物質發生反應形成腐蝕。另外，導電潤滑脂可以抑制電弧的發生，減小電蝕磨損，進一步抑制觸點表面氧化和碳化[19]。電氣設備中的潤滑脂為了應對載流摩擦，需要增加其導電性，例如通過添加聚苯胺[20]、離子液體、氧化錫銻等導電填料，可提高復合脂的導電性和摩擦學性能。當前最為廣泛使用的導電添加劑主要有金屬粉末[21-22]、離子液體[23-24]、碳材料[25]以及其他經化學/電化學處理后的非導電材料，這些添加劑可作為單劑或者復合使用。

3.1金屬添加劑

金屬添加劑粒度較小，在摩擦過程中可以對接觸區域起到一定的填充和修復作用，同時也能起到微軸承作用，增強承載能力。這些添加劑沉積在摩擦表面時形成具有保護作用和光滑作用的沉積膜。金屬添加劑在導電潤滑脂中的應用可以顯著改善其導電性能和潤滑性能，提高系統的可靠性和壽命[21]。

金屬添加劑主要包括金屬粉末（如銀粉、銅粉、金粉等）和金屬氧化物（如氧化銅、氧化錫等），利用隧穿效應、滲流效應和場發射理論均勻分散于潤滑脂中形成導電網絡。孫高展等[22]利用二硫化鉬粉末作為極壓添加劑對皂基MACs潤滑脂進行改性，顯著提升了其真空摩擦性能。Feng等[25]采用原位聚合法合成了鹽酸摻雜的聚苯胺/二硫化鉬（PANI/MoS2）復合鋰基潤滑脂。安冰洋等[26]利用多種咪唑離子液體修飾納米Fe3O4制備硅基潤滑脂，明顯降低了潤滑脂的體積電阻率，并大幅度提高減摩抗磨性能。

3.2離子液體

離子液體是一種由有機陽離子和無機或有機陰離子組成的低熔點鹽，具有良好的導電性、熱穩定性和低揮發性[27]。這些特性使得離子液體在導電潤滑脂中具有廣闊的應用前景。離子液體的導電性主要受離子液體的結構以及潤滑脂的黏度影響，黏度越低，離子液體在潤滑脂中越容易擴散，電阻率越低[28]。

李自穎等[28]利用雙三氟磺酸基酯離子液體作為導電添加劑，制備出導電性能和摩擦學性能更加優異的鋰基潤滑脂。王偉[29]利用離子液體對石墨烯和碳納米管進行改性，提高了潤滑脂中的分散性，進而提高了潤滑脂的性能。

3.3碳類添加劑

近年來，碳元素家族作為涂層、二維材料、量子點在在摩擦學領域的研究熱度居高不下。金剛石、類金剛石（DLC）[30]、碳納米管[31]、石墨烯[32]、石墨[6]等廣泛應用于傳統機械系統中，以改善摩擦學性能。二維材料中，相鄰兩層間弱范德華力的結合使其具有較低的抗剪強度，易于在各原子層之間滑動，從而防止摩擦面直接接觸，降低摩擦系數[33]。王偉[29]將改性石墨烯和改性碳管結合鋰鹽離子液體制備出復合潤滑脂。萬佳祺等[35]利用不同質量分數的石墨烯添加劑制備了極壓潤滑脂，提高了潤滑脂的滴點，通過在摩擦過程中形成保護膜、減小接觸點的直接接觸。

郭新毅等[18]將親油改性處理后的碳納米管和導電納米炭黑根據滲流閾值制備為2種濃度的導電潤滑脂，實驗表明碳納米管的加入增強了潤滑脂的抗氧化性能、兩種添加劑均可有效減小磨損。

4建議與展望

載流摩擦是電力傳輸系統、現代軌道交通系統、工業發電機和電磁軌道炮等領域的常見現象。當前研究主要集中在實驗室條件下，對于實際應用中復雜的工況下的適應性研究不足，缺乏對潤滑脂長期性能穩定性的研究，且在與不同材料的兼容性方面研究不足。此外，高溫環境下的熱穩定性和高濕環境下的導電性能也是亟待解決的問題，這些問題直接影響到潤滑脂在實際應用中的可靠性和壽命。

未來的研究方向應重點關注復雜工況下的適應性研究、長期性能穩定性研究、材料兼容性研究、新型潤滑脂的研發、智能監測與控制技術的應用以及可持續發展與環保要求的滿足。通過這些研究方向的深入探索，有望進一步提升導電潤滑脂在載流摩擦系統中的性能，促進相關領域的技術進步和發展。

5結語

本文從載流摩擦的產生與影響角度出發，結合導電潤滑脂的潤滑摩擦機制和導電機理，對導電潤滑脂在載流摩擦環境中的研究進行了綜述，最后對當前的研究現狀提出了一些建議和展望。

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（責任編輯：張玉平）