● 摘要
炭/聚合物复合材料因其具备良好的成型性能，并且可以在较大范围内调节电学和力学性能，而广泛用作抗静电导电材料、发热体材料、压敏导电胶和电磁屏蔽材料。但其在轨道交通领域用作受电弓滑板或受流器滑块材料的研究并不多见，导电性偏低和耐磨损性能不足成为限制其在该领域应用的重大问题。
本文以提高炭/聚合物复合材料导电性能和耐磨损性能为主要目标，在已有文献成果和研究基础上，采用高硬度冶金焦炭和高模量炭纤维作为协同增强相、鳞片石墨作为自润滑相、电解铜粉/铜纤维作为金属导电相，高耐磨酚醛树脂作为聚合物粘结剂，采用特殊工艺分散使金属导电相偏聚分布，通过热压成型以及高温热处理制备出高导电低磨损炭/聚合物复合材料。本文研究内容主要有以下几个方面：
1．成型工艺的选择、最佳成型工艺参数、最佳粘结剂含量以及最佳分散工艺的确定。在组分相同的情况下，热压成型工艺制备的材料密度、电导率和弯曲强度均高于常温加压+加热固化工艺。根据制备的炭/聚合物复合材料微观结构、物理性能和力学性能，确定最佳热压成型工艺参数为170℃、20MPa、1h，最佳酚醛树脂粘结剂用量为20wt.%。非均匀分散工艺使铜导电相在材料内部选择性偏聚分布，并形成连续的金属导电网络，显著提高了炭/聚合物复合材料导电性能。材料的SEM微观结构表明热压成型工艺制备的复合材料填充组分与聚合物粘结剂之间具有较强的界面结合。
2．探索高导电低磨损炭/聚合物复合材料导电性能提高途径及导电机理：（1）铜纤维和铜粉在不同分散状态下的导电效率比较表明，均匀分散工艺下导电效率顺序为Cu纤维>Cu粉，非均匀分散工艺下导电效率顺序为Cu粉> Cu纤维>Cu片；（2）材料电导率随铜粉含量变化规律出现了渗流现象，渗流阈值为15wt.%（3.5vol.%）；（3）铜粉粒径越小，复合材料导电性越好，铜粉粒径对材料导电性能的影响是通过影响粒子参与形成无限导电网络的几率Wf实现的，Wf随铜粉粒径减小而增加；（4）提高冶金焦炭/石墨比例和冶金焦炭粒径，有利于金属导电网络的形成，材料导电性提高。
3．探索炭/聚合物复合材料力学性能提高途径：（1）提高冶金焦炭/石墨比例，材料硬度和冲击强度呈整体增大趋势；（2）增大冶金焦炭粒径，材料硬度和冲击强度提高；（3）当炭纤维含量为5wt.%时，材料抗冲击性能最好。
4．探索高导电低磨损炭/聚合物复合材料摩擦磨损性能提高途径及磨损机理：（1）材料摩擦系数随冶金焦/石墨比例增加而增大，材料磨损率随冶金焦/石墨比例增加先降低后增大，石墨含量的减少导致摩擦表面无法形成完整的石墨润滑膜，是材料磨损率增大的主要原因；（2）焦炭粒径范围为48-75µm制备的复合材料摩擦系数和磨损率最小，大粒径冶金焦炭增强复合材料摩擦表面形成了较为完整的润滑膜，小粒径焦炭增强复合材料摩擦表面几乎没有润滑膜形成；（3）炭纤维含量为5wt.%时，材料耐磨性能最好，过高的炭纤维含量造成纤维聚集并削弱纤维与粘结剂的界面结合强度，降低耐磨性能。
5．研究了热处理对高导电低磨损炭/聚合物复合材料微观结构和综合性能影响。制订了合理的热处理工艺路线。材料微观结构随着热处理温度升高，发生了微裂纹形核、玻璃炭形成和微裂纹累积破坏的过程。材料电导率、硬度和耐磨性随热处理温度升高呈现先减小，后增大，之后再减小或几乎不变的趋势。当热处理温度为800℃时，导电性最好；700℃时，硬度和耐磨性最好；600-700℃之间，冲击强度较高。700℃热处理后材料电导率随铜粉粒径减小显著增大，而硬度降低；电导率、硬度和耐磨性能随焦炭粒径分布增大而显著提高，冲击强度先升高后降低。通过各项性能综合比较得出最佳热处理温度为700℃，焦炭及铜粉最佳粒径范围分别为48-75µm和48µm，相应的电导率、冲击强度、硬度、摩擦系数和磨损率分别为1.616´105 S/m, 4.26 J/cm2, 71.8, 0.130和 1.859´10-6mm3N-1m-1。
6． 研究试验条件对700℃热处理后复合材料摩擦磨损性能影响及相关磨损机理。（1）摩擦系数随载荷增加而降低，较低载荷下摩擦行为出现失稳现象；磨损率随着载荷增加持续增大，低载荷下增强相颗粒迅速脱落导致磨损表面无法形成摩擦膜是材料磨损的主要原因，中度载荷下磨损表面形成了完整摩擦膜，高载荷下发生的摩擦膜从磨损表面剥离以及增强相脆性断裂是磨损的主要原因。建立摩擦系数、磨损率与摩擦面真实接触面积及摩擦膜剪切强度之间关系公式，并根据该关系式对摩擦磨损行为随载荷变化规律进行了深入分析。（2）在摩擦稳定期，700℃热处理后复合材料摩擦系数与摩擦速度无关；转速在200-400rpm范围内随着摩擦速度提高磨损率而增大，这与材料摩擦过程中表面温升导致的硬度降低有关。（3）比较了未热处理样品与700℃热处理样品磨损1h后性能变化规律，两种材料摩擦系数曲线走势完全相反，未热处理样品摩擦系数持续增大，摩擦系数曲线波动剧烈，而700℃热处理样品摩擦系数持续减小，曲线平稳；700℃热处理样品磨损率比未处理样品降低了31%。
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