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摘要: 电接触材料在生活生产应用中发挥着重要的作用，但其面临着较为复杂的摩擦磨损问题，因此对电接触材料的研究至关重要. 文章从摩擦学角度出发，综述了当前几种常见的铜基、银基和金基电接触材料的特点以及存在的问题，分析了不同接触载荷、电流和滑动速度等条件下电接触材料的载流摩擦学行为、载流摩擦磨损机制、计算模拟研究以及当前还存在的问题. 提出未来应发展石墨烯等性能优异的新型电接触材料以及加强对多因素耦合作用下电接触体系的摩擦磨损行为和失效机制的研究，这将为未来电接触材料摩擦学的研究发展提供一定的参考价值.Abstract: It is of great importance to do research of electric contact materials, not only for their applications in life and productions, but also for their complex friction and wear problems. This review summarized the characteristics and existing problems of several common copper-based, silver-based and gold-based electric contact materials, and analyzed current-carrying tribological behavior, friction and wear mechanism, computational simulation research and existing problems of electric contact materials under different contact load, current and sliding speed, etc. Putting forward the development of new electric contact materials with excellent properties such as graphene, as well as the wear behavior and failure mechanism of the electric contact system under multi-factor coupling in the future, which will provide certain reference value for the research and development of tribology of electric contact materials.
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Keywords:
- electrical contact /
- current-carrying friction /
- wear failure /
- arc erosion /
- metal-based material /
- graphene
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电接触是指两个导体之间相互接触实现电流传递或信号传输，其功能就是使电子从一个导体通过界面传递到另一导体，确保电能以及信号的畅通传递，主要分为固定电接触、滚动电接触、滑动电接触以及可分合电接触四大类[1-2]. 对于滚动、滑动和可分合式电接触，都存在由于接触面发生移动而出现的摩擦磨损问题，因此要求材料不仅具有高的导电导热性、优异的力学性能、抗电蚀、抗熔焊以及化学稳定性，还必须具有优异的摩擦学性能[3]. 目前这类材料广泛应用在交通、电子、机械以及航空航天领域，如高铁架空导线、集成电路、受电弓滑板和航天电刷等，但近几年常出现由于电接触部件磨损失效而导致的型号故障，例如某型号滑环在定期检测过程中运转8 000 r后出现由于镀层异常磨损产生的磨屑(约1.4 g)，导致8个环路绝缘电阻超差. 当下电接触部件的摩擦磨损问题已经成为电接触材料可靠性、稳定性、精确性和使用寿命的瓶颈，因此对材料载流摩擦行为与磨损失效机制的研究对于发展新型可靠的电接触材料具有极其重要的意义.
1. 电接触材料的分类与特点
电接触材料主要分为四大类：铜基电接触材料、银基电接触材料、金基电接触材料和新型电接触材料.
Materials Advantages Disadvantages Copper-based
electrical
contact materialsCopper-base alloys Excellent physical and mechanical properties Strength and conductivity are difficult to reconcile Fiber reinforced
(carbon fiber, boron fiber…)Self-lubricating, wear-resistant, high strength and temperature-resistance, etc Large brittleness, uneven microstructure, anisotropy, higher cost Ceramic reinforced
(SiC/WC/TiN)Good wear-resistant and temperature mechanical properties, low coefficient of thermal expansion, lower cost Weak dispersion and interfacial bonding New types
(Cu-WS2, Cu-G-MoS2…)Excellent self-lubricating, wear- resistant and environmental adaptability Reduced mechanical strength Silver-based
electrical
contact materialsSilver -base alloys
(Ag-Cu, Ag-Cu-Ni…)high mechanical strength and wear-resistant, stable contact characteristics under low contact pressure Poor oxidation resistance and corrosion resistance, lower conductivity than silver Ag/C series High weld-resistant, low contact resistance Low hardness, poor anti-arc erosion capability Ag/WC series Anti-melt welding, heat and wear resistance Producing WO3 resulting in contact resistance Ag/Ni series Wear-resistant, saving silver Low weld resistance at high current Ag/MeO series
(Ag/CdO, Ag/SnO2, Ag/ZnO…)Better weld and arc resistance, conductivity at high current Ag/CdO pollutes the environment New types
(Ag-MoS2, Ag-MoS2-G-CNTs…)Excellent wear-resistant, anti-vulcanization and environmental adaptability Reduced mechanical strength Gold-based
electrical
contact materialsGold-base alloys Excellent conductivity and mechanical properties Expensive Lanthanon reinforced High melting point, hardness, anti-arc and chemical stability Expensive New electrical contact materials(TiNiC、Graphene…) Intergrating electrical conductivity and lubrication 1.1 铜基电接触材料
铜作为常用的纯金属电接触材料，具有低熔点、高导电导热性、耐腐蚀性以及廉价易购等优点，但铜的强度较低，耐热性较差，高温下容易软化变形. 通常添加一些金属[5]、层状润滑剂[6-8](石墨、WS2和MoS2等)、纤维[9-10](碳纤维、硼纤维等)、陶瓷颗粒[11-12](WC、SiC和TiN等)等增强相来提升材料的抗氧化性、自润滑性、抗磨损性和高温力学性等.
许玮等[13]研究了粉末冶金法合成铜-碳纳米管复合材料的载流摩擦磨损行为，发现在载流条件下，材料具有优异的自润滑性和电学性能，且摩擦系数和磨损率均随碳纳米管体积分数的增加而降低. Li等[14]在相同条件下制备了不同石墨烯、石墨含量的铜-石墨烯和铜-石墨复合材料，发现复合石墨烯后具有更高的相对密度、显微硬度以及抗弯强度，并且随石墨烯含量的增加，材料的摩擦系数和磨损率明显降低，减摩作用明显强于石墨，表明了石墨烯不仅可以作为电接触材料中有效的润滑剂，还可以作为良好的强化相，具有很大的应用前景.
1.2 银基电接触材料
银在所有金属中具有最好的导电导热性，但是它的硬度和强度较低，抗磨性差，而且容易发生硫化；在电流作用下，容易挥发并发生电弧侵蚀；大负荷下，容易熔焊粘结. 研究表明通过添加一些元素可以克服这些劣势，用于非极端环境下的导电摩擦系统[15-17].
Ag/C具有良好的抗熔焊性且随石墨含量的增加而增强，但其硬度较低，电侵蚀率高，使用寿命较短[18]. Ag/Ni、Ag/Pd等接触电阻较低，稳定性较好，且节银量可达40%，但在大载流下其抗熔焊性不高[19]. Ag/MeO(Ag/CdO、Ag/ZnO、Ag/SnO2)是广受关注的银基电接触材料，主要是因为其在大电流下有更好的导电导热率、抗熔焊性以及抗电弧侵蚀性[20].
Li等[21-22]通过研究Ag-MoS2复合材料的载流摩擦过程，揭示了其在滑动过程中表面膜的结构与形成机理，发现其表面多组分薄膜的产生使其具有较好的抗磨损能力和导电性，进而通过在Ag-MoS2中复合碳纳米管和石墨，制备出了一种集力学、电学和摩擦学综合性能优异的Ag-MoS2-G-CNTs复合电接触材料.
1.3 金基电接触材料
金具有良好的导电导热性，不易受污染而形成氧化物和硫化物薄膜，因此具有低而稳定的接触电阻，但是由于金的硬度较低、弹性较差、易发生熔焊、易磨损并发生转移以及抗电侵蚀能力差，常加入银、铜、钯或铂等元素合金化来提高综合性能. 目前金基电接触材料由于价格比较昂贵，应用较窄，常被用作高端精密系统.
Feusier等[23]为有效降低导电环的体积和解决电刷材料磨屑较多的问题，采用Gold-on-Gold技术，由贵金属丝Ag-Cu作为电刷材料，铜-镍-金为滑环，对其性能进行了评价，结果表明当测试距离达到236 km时才可观察到丝刷产生部分磨损，说明其具有良好的耐磨性能，所研制的9 kw导电滑环已经成功在轨运行. Xie等[24]制备出CuNiAu导电滑环，其中金因其良好的化学稳定性和电学性能作为表面镀层；铜因其良好的导电性和延展性而被用于粘结层，以提高镀层体系与基材的结合强度；镍作为中间层用于防止铜原子从基体扩散到镀金中，并通过提供硬质基体来提高镀金层的耐磨性，提高镀层体系的磨损寿命，在高温环境下，镍可以保持接触电阻的稳定，加强镀金沉积物的耐久力，并有助于抵抗微动损伤.
目前对于这类材料还存在一些问题，研究指出镀金表面经过长期暴露，会生成由中心腐蚀核及环绕腐蚀晕圈组成的岛状腐蚀物，腐蚀核下存在大量微孔，基底层铜容易被腐蚀，这将引起材料的高电阻及不稳定，造成严重的磨损失效[25-26].
1.4 新型电接触材料
为了提高电接触材料的润滑耐磨性以及导电性能，研究者们尝试了许多新的材料体系，制备出了一系列综合性能更为优异的新型材料，比如TiNiC、TiN以及复合石墨烯薄膜等.
Grandin等[27-29]在研究中表明具有非晶态碳(a-C)的Ti-Ni-C纳米复合涂层具有低摩擦和低接触电阻的特点，添加Ni元素增强了材料的耐磨性和抗腐蚀性，适用于滑动电接触. Lewin等[30]用物理气相沉积技术制备出Ti-Ni-C涂层，试验表明该纳米复合涂层具有较低的电阻率和摩擦系数，在滑动电接触中有很大的应用价值.
2004年，英国曼彻斯特大学Geim和Novoselov两位科学家将石墨烯带入了人们的视野中，此后大量研究表明石墨烯独特的结构赋予其较优的导电导热性以及机械强度[31-33]，而且宏观和微观尺度下，石墨烯在大气以及真空中都表现出轻微的摩擦和磨损[34-37]，将石墨烯与金属复合，也可以增强材料的电学性能[38]. Song等[39]研究表明石墨烯在真空环境下可以在摩擦界面自发形成高度定序排列的平行层状结构，超弱的层间剪切作用力使其摩擦系数低至0.01以下，耐磨寿命达到8×105 r以上，可以克服传统石墨类碳材料在真空中润滑不佳的问题. Berman等[40-41]通过在金基体上沉积石墨烯，研究了Graphene-Au与TiN钢球在潮湿和干燥下的滑动摩擦磨损行为，结果显示其摩擦系数大约为0.15~0.30，滑动接触电阻约100 Ω，石墨烯不仅可以降低摩擦副之间的摩擦和磨损，而且不受环境湿度的影响，能长期保持较低的接触电阻. Uysal和余维延等[42-43]在银基电接触材料中复合了一定量的石墨烯后均发现其润滑耐磨性以及电导性能获得了大幅提高，这进一步证明了石墨烯作为电接触复合材料的优越性.
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材料的成分首先决定了其性能，因此研制出低摩擦、长寿命和导电性好的新型电接触材料至关重要. 对于传统的金属基材料，添加不同的增强相如纤维、陶瓷和稀土化合物等能够明显提升其机械和电学性能，未来纤维增强金属基复合材料、陶瓷颗粒增强金属基复合材料和稀土改性金属基复合材料等将具有很好的发展潜力；金属基电接触材料中添加多种固体润滑剂从而实现协同润滑效应，在不影响其导电性的前提下提高材料的抗磨损性能也将是未来的重点方向；TiNiC、TiN薄膜以及复合石墨烯薄膜等综合性能优异的新型导电润滑功能材料将有望弥补传统电接触材料的不足，给电接触体系带来新的发展.
2. 电接触材料的载流摩擦学行为与磨损失效机制
电接触材料的组成对于其性能起主要作用，但电接触体系的载流摩擦学行为以及磨损失效机制同样影响其使用寿命. 对于电接触磨损主要是指摩擦副在有电流通过时的磨损行为，与一般的机械磨损不同，电接触磨损由于存在力、电和热等多场耦合因素的影响，既受到机械因素的制约，又受到电流热效应的影响，同时还存在严重的电弧侵蚀，因此其在通电下的磨损由机械磨损、电流磨损以及电弧侵蚀三部分组成. 为了制备综合性能优异的电接触材料，必须弄清材料在载流下的磨损失效机制，目前已有很多研究表明电接触材料的失效主要受材料组成、接触载荷、滑动速度、电流和工况条件等众多因素影响，而且电弧侵蚀对于材料的失效有着很大的影响[44-48].
2.1 接触载荷、电流和滑动速度对磨损的影响
电接触材料的损伤受多方面因素的影响，真空、电流、载荷、速度和温度等均对其磨损动力学产生显著影响. 研究表明影响材料摩擦系数、磨损率以及接触电阻的主要因素是接触载荷、电流密度和滑动速度[50-54].
2.1.1 接触载荷对磨损的影响
Yasar等[52]研究了接触压力对铜-石墨复合材料的磨损影响，结果表明摩擦系数和接触压降随着接触压力的增加先减小后增大，磨损率随接触压力增大呈“U”型变化，不同压力下磨损机制不同，低压下以电流磨损为主，高压下以机械磨损为主.
戴恒震等[53]研究表明滑动电接触摩擦体系的摩擦系数随载荷增大而减小，磨损率随载荷呈“U”型变化，接触电阻则随载荷增大而减小；滑动电接触摩擦体系存在最优接触载荷，此时的摩擦系数、磨损率、接触电阻均较小，综合性能达到最优.
机械磨损随外加载荷的增加而增加，电气磨损随外加载荷的增加而减小，增大法向力虽然在一定程度上加剧了机械磨损，但由于接触面积的增大，抑制了电弧放电，从而缓解接触界面的磨损. 因此适当的接触载荷不仅可以抑制电弧烧蚀[55]，而且可以避免严重的机械磨损，从而最大限度地减少总磨损量.
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2.1.2 电流密度对磨损的影响
Feng等[16, 56]研究了Ag-G-CNTs复合材料的电磨损性能，发现电流下CNT–Ag–G的磨损体积大于无电流下的，电流对电刷产生不利影响的主要原因是造成了表面粗糙度的增加和磨料性能的增强，由于电流释放而产生的热量破坏了摩擦表面形成的稳定润滑膜，导致界面粗糙化，电刷近表层的机械性能弱化，引发严重的电气磨损，从而造成高磨损率；由于正金属离子(碳离子)与负氧离子之间的氧化反应以及刷子表面晶粒间化学键的弱化，正电刷的磨损量明显大于负电刷.
王一帆等[57]从表面温升的角度进一步研究了电流密度对铜基滑动电接触部件磨损特性的影响，结果发现载流摩擦表面温度明显高于机械摩擦，随着电流密度的增大，摩擦温升明显增高，磨损率增大，这是因为摩擦引起的表面温升效应可导致磨损表面力学性能下降、润滑膜破裂与失效及表面粗糙度增大，从而引起材料摩擦系数及磨损率的增大.
Shin等[58]分析了载荷、滑动速度以及电流对电刷磨损行为的影响，发现电刷的机械磨损主要与接触载荷和滑动速度有关，而电气磨损则与电流和接触电压降有关. 相比载荷和滑动速度，电流的变化对电刷磨损具有更显著的影响，电流越大，磨损率越大. 磨损程度取决于电流方向和接触部位的温度变化，大电流下，正极刷相比负极产生了较严重的磨损，电流流动面积减少，导致了较高的电压降和接触电阻，从而产生更多的焦耳热，使得接触表面温度由50 ℃升高至140 ℃，温度的升高造成电刷磨损的加剧.
电接触材料的摩擦学性能受电流的影响较大，一般随着电流的增加，摩擦系数减小，磨损量增加. 电流作用下接触面会产生大量的摩擦热、电阻焦耳热和电弧热，使得摩擦界面温度升高，而电滑动磨损主要归因于摩擦界面的高温，一定的升温有利于表面氧化，产生的氧化物可以防止摩擦副之间的直接接触，减少黏着，然而氧化物会导致接触电阻和温度的升高，从而破坏了表面膜，导致润滑失效；而且一些氧化物碎片脱离表面的情况下，会充当磨料，造成严重的磨粒磨损[59]；电流所引起的焦耳热还会使复合材料表层软化，抑制摩擦膜与基体的结合，从而影响摩擦性能. 电流对摩擦表面的作用比较复杂，既能通过化学作用影响接触材料的性质，又会产生物理作用，两者共同作用下影响材料的电学性能和摩擦学性能.
2.1.3 滑动速度对磨损的影响
研究表明速度不仅仅会影响材料在载流摩擦过程中接触电阻的稳定性，还会极大地影响其摩擦学性能[47, 60-61].
孟令通等[62]研究了真空条件下滑动速度对Ag-Cu-MoS2复合材料载流磨损性能的影响，发现随滑动速度的增加，电噪声明显增强，造成接触电阻大范围波动，进一步加剧材料的磨损.
田磊[63]研究了速度和摩擦学性能之间的关系，结果表明随着摩擦速度的增加，摩擦系数和磨损量都显著增大，当速度超过临界值时，由于冲击的加剧造成起弧率升高，载流效率急剧降低.
Ma等[64]发现铜石墨复合材料的摩擦系数和磨损率在很大程度上取决于滑动速度，当速度超过临界值(0.5 m/s)时，摩擦磨损状态会发生一定的转变，这是由于表面以下的变形区具有较大的应变梯度，当速度低于临界值时，富含石墨的润滑层很容易在滑动面上形成. 然而，在超过临界速度时，由于高应变率的分层磨损，很难在接触面形成润滑层，造成磨损率增大.
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2.1.4 多因素耦合作用下对磨损的影响
Bucca等[65]研究了滑动速度，接触载荷与电流之间的相互作用. 大电流下，滑动速度对接触丝的磨损影响更显著，由于载流下存在焦耳效应，磨损主要受接触面温度的影响，较高的滑动速度产生的高气流会降低接触区温度，从而减轻磨损，而且滑动速度的大小会引起次级电弧的发生，造成对材料的破坏. 相比滑动速度，接触载荷和电流之间的相互作用对磨损率的影响更为显著，接触载荷对磨损率的影响取决于电流的大小，低电流下，大载荷磨损较为严重，而高电流下则相反；电流对磨损率的影响也依赖于载荷的大小，当载荷较高时，磨损率随电流的增大而减小，而载荷较低时则相反. 这是因为当接触载荷较大时，不存在“电流润滑”效果，磨损主要是由于机械磨损，当载荷较小时，电流作用增强，由于接触电阻随着接触载荷的减小而增加，接触区域的闪光温度升高，发生熔融磨损，磨损率升高.
电流与载荷耦合作用下材料在低接触载荷和低电流下磨损机制主要为黏着磨损；电流增大时，以电弧侵蚀为主的电磨损成为主要磨损形式；接触载荷增大时，机械磨损为主要磨损形式.
电流与速度的耦合作用下材料的磨损明显加剧[60]，当载荷一定时，由于电流的增大使表面温度升高，引起材料局部发生熔融，造成表面粗糙度增大，当滑动速度增大到一定范围时，摩擦表面由于粗糙度的增加使得摩擦副之间的冲击振动加剧，从而引起摩擦系数、磨损率和电弧侵蚀的增大，加剧了表面磨损程度.
2.2 PV因子、湿度、表面膜等对磨损的影响
除电流、接触载荷以及滑动速度外，PV因子、湿度以及摩擦过程产生的表面膜等对电接触摩擦学性能也有着显著影响，在电接触系统中，这些影响因素不容忽视.
Hu等[66]详细研究了PV因子对碳刷磨损的影响. 结果表明：当PV因子小于0.5 MW/m2时，电刷的磨损率与PV因子成正比，但当PV因子大于0.5 MW/m2时，磨损率呈指数增加. 分析原因认为：当PV较小时，表面膜处于良好状态，其元素含量变化不大，机械磨损占主导地位；但当PV因子较大时，表面膜的成分发生变化，表面温度急剧升高，电气磨损占主导地位.
Hu等还[67]研究了湿度对材料磨损率的影响，发现在10%相对湿度(RH)下磨损率将近是50%RH下的2倍左右，这是因为在高湿度下，水分子往往通过形成瞬态单层膜来覆盖暴露的石墨表面[68]，再在接触表面通过化学反应，形成具有润滑性的氧化物层，降低了表面自由能，减轻了接触面之间的黏着，减缓了摩擦磨损；而在低湿度条件下，石墨表面吸附的水膜仅覆盖了一部分，未能形成完整的表面氧化层，表面自由能较高，即使发生粉尘磨损，也会使电刷的摩擦磨损加剧.
Cho等[69]研究了摩擦膜对铜-石墨复合材料的摩擦学性能及电信号传输的影响，结果表明电刷的摩擦学性能与石墨(或铜)含量直接相关，电信号噪声与滑动界面接触变化引起的摩擦系数波动和环表面过渡膜的瞬态斑块直接相关，摩擦膜的存在对接触的形成有很大的影响，滑动界面处粘合金属相互作用过程中产生的实际接触面积增加了收缩性，当电信号通过滑动界面时，交界处电流发生收缩，造成电阻的增加，加剧电气磨损. Grandin等[70]研究了铜-石墨滑动电接触材料的磨损现象及摩擦膜的形成，发现电流下明显使材料的摩擦系数增大，主要是因为电流产生的温升效应造成了表面材料的软化，增加了a-pot的尺寸，但是由于铜在表面的富集抵消了铜软化对材料造成的削弱，导致磨损率比无电流通过时低. 进一步对铜表面形成的摩擦膜进行了化学分析，发现由石墨和Cu2O组成的，当摩擦膜中氧化物含量最高时，其接触电阻反而最低，可以得出当金属存在时，氧化物的存在对材料的电学性能并无不利影响.
电接触材料面临的运行环境越来越苛刻，在运行过程中不仅要抵抗不同湿度、超高真空、高低温交变、原子氧和强辐照等多种恶劣环境[71]，还要面临复杂环境中的剧烈振动、冲击、强载荷和高速度等极端苛刻工况，因此真空、接触载荷、电流、速度、温度和湿度等共同耦合作用下对材料的摩擦磨损失效机制的影响将更为复杂.
2.3 载流摩擦磨损失效机制
两个摩擦副之间由于部分接触表面的瞬间分离，造成两者之间电压急剧增加，使得接触面之间的气体发生电离，产生大量热并以弧光的形式释放出能量，从而引发电弧，电弧的形成原因主要有3点：强电场发射，碰撞游离和热游离. 电弧的产生所释放的电弧热使得摩擦副材料发生熔化、气化和喷溅，接触点由于软化发生黏着熔焊，产生了材料的转移，严重侵蚀接触表面，加剧材料的磨损[57, 72-74].
为了更好地了解电接触材料在电流作用下的磨损机理，Chen等[75]用高速摄像机记录了电弧放电过程，测量了电弧压降和电流的变化，研究了电弧放电对碳带磨损的影响，对累积的电弧放电能量进行了评价，试验结果表明接触带的磨损率与累积的电弧放电能量近似成正比，严重的电弧放电直接影响材料的使用寿命，但如果增大法向力可以抑制电弧放电，减少电弧引起的磨损.
电接触材料的磨损主要是由3个相互作用引起：由于纯机械摩擦引起的机械磨损，由接触电阻引起的电气磨损以及由于气体电离产生的电弧磨损，这3种方式相互交织，机械磨损取决于电流大小(“电流润滑”现象)和机械行为，而电气磨损和电弧损耗也依赖于机械行为中接触载荷的变化(接触电阻取决于接触载荷，接触面减少时电弧发生的几率增大)[76]. 载流摩擦磨损是多种磨损行为相互作用，相互交替的复杂过程，而电弧更是加剧了它们之间的相互影响. 电弧侵蚀下材料的磨损过程较为复杂，可以概括为微裂纹的萌生和热膨胀引起的机械应力诱发微裂纹的扩展和磨损颗粒的分离，这个过程在滑动过程中不断重复进行，涉及磨粒磨损、冲蚀氧化、转移膜和结构修饰等多种损伤过程，主要磨损机制包括氧化磨损、黏着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损[77-78].
早期White通过用扫描电子显微镜研究了高速电刷磨损的疲劳机理[79]，在连续运行时形成的光滑表面膜内部和膜下都观察到了疲劳失效，发现在一定的机械载荷下，磨损率可能与疲劳破坏的深度有关.
Azevedo等[80]的研究表明载流摩擦过程中磨屑由初始的薄片状转化为雨滴状，这是因为随着电弧的产生和接触表面热应力分布的变化，使得摩擦副表面产生氧化并形成硬质相，其在磨损过程中发生剥落，与电弧飞溅形成的小颗粒形成磨粒，导致磨粒磨损，而电弧产生的温升效应进一步造成接触表面发生严重黏着，导致黏着磨损.
沈向前等[81]认为：载流摩擦过程中产生的大量摩擦热和电弧热，造成表面局部温度急剧升高，接触表面形成的界面膜发生氧化，从而产生了两种磨损：氧化磨损和磨粒磨损.
2.4 模拟计算与摩擦磨损
随着计算模拟的发展，对电接触摩擦磨损行为的模拟研究也越来越受到关注[65, 78, 82-86]. 数值分析与计算机模拟的融入使得对载流摩擦磨损行为的研究更加深入，对多因素耦合下材料失效机制的分析更加全面，对提高电接触材料的摩擦学和电学性能更加有利.
Bucca等[65]建立了一种综合机械、电气和电弧相互作用的启发式磨损模型，该模型定义了接触线磨损率与主要参数(滑动速度、接触载荷和电流)之间的关系，并与模拟受电弓与接触网机电作用动力学的动态机电模型相结合，可以很好地评估接触线上磨损的演变过程，该程序可用于评价改进弓网电接触系统，以降低接触线的磨损率.
Kharin等[84]在温度和电磁场偏微分方程组的基础上，建立了电接触过程中传热传质的数学模型，从蒸发、液滴喷射、Marangoni效应和固体颗粒在热弹性应力作用下的喷射等几个模型描述了电弧侵蚀的机理，用数学模型的方法对电弧侵蚀进行了系统研究.
董霖等[85]利用ANSYS有限元软件计算得到地铁钢铝复合轨/受电靴电弧作用下的温度场热传导模型，分析了电弧热温度场分布和扩散过程，以及对流换热系数对电弧热温度场分布的影响，提出了缓解电侵蚀作用的有效途径，对载流摩擦磨损中电弧的产生及抑制的研究具有一定意义.
尹念等[86]利用分子动力学模拟研究了导电滑环Au涂层在不同温度下的磨损微观机制，通过设定模型局部快速升温模拟载流摩擦中电弧侵蚀的效果，结果表明电弧侵蚀造成了接触中心局部温升，发生严重的焊接现象，影响了材料的磨损性能.
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目前对多因素耦合作用下材料的摩擦磨损行为和失效机制研究较少，而且对电弧的侵蚀机制、规律以及定量研究还不够成熟. 因此应加强对电接触基本现象和基础理论的研究，将数学建模、有限元分析、分子动力学热力学等现代计算模拟手段与材料设计和磨损行为更好地结合起来，开展摩擦副材料在多环境(大气、真空、辐照、原子氧和温度等)、多因素耦合(电流、载荷、速度和微放电等)作用下的摩擦磨损行为及失效机制等基础理论方面的研究，这将会对电接触材料的发展提供更好的理论指导.
3. 结束语
现代科技工业发展对电接触材料的性能要求越来越高，从材料的选择、制备再到应用，每一个阶段都有很大的挑战. 传统的电接触材料比较单一，已经难以满足当前的需求，探索与研制像石墨烯等新型电接触摩擦副材料体系迫在眉睫；随着航天航空和深海技术的发展，电接触材料面临的环境和工况更加复杂，在运行过程中要抵抗不同湿度、超高真空、高低温交变、原子氧和强辐照等多种恶劣环境，具有复杂的摩擦磨损行为，而国内外关于电接触摩擦副材料的研究工作还是局限于对某一特定材料、特定条件、特定环境下摩擦磨损特性研究，因此未来必须加强多因素耦合作用下任意材料的摩擦磨损行为和失效机制的研究；将数学建模、有限元分析、分子动力学热力学等现代计算模拟手段与材料设计和磨损行为更好地结合起来，建立完整的电接触材料摩擦磨损研究体系.
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