CN101492015A - 网状层压碳-铜复合材料受电弓滑板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种网状层压碳－铜复合材料受电弓滑板及其制造方法，属于电力机车受电弓滑板及其制造的技术领域。该滑板是通过四道工序：制胚、热压固化、加工成形和后处理制成的、由多层片状材料平铺叠合的、形状和大小符合国家电力机车技术标准的受电弓滑板，片状材料包括石墨纸和复合层，复合层由细铜丝网平铺叠合在带网孔的碳纤维布上构成，带网孔的碳纤维布上涂布有由石墨粉、铜粉、热固性树脂混合而成的糊状胶，片状材料的平铺叠合次序是多层复合层平铺叠合在两层石墨纸之间，具有优良的力学性能、导电性能和摩擦磨损性能，特别适于作电力机车的受电弓滑板。该滑板的制造方法有对设备要求低，工艺简单、生产成本低和易于实现工业化生产的优点。

Description

网状层压碳-铜复合材料受电弓滑板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种网状层压碳-铜复合材料的受电弓滑板及其制造方法，属于受电弓滑板及其制造的技术领域。

目前我国铁路电气化路段中通常采用的受电弓滑板有：粉末冶金铜基滑板、浸金属碳滑板和两侧用铝包的进口纯碳滑板。

(1)粉末冶金滑板

粉末冶金滑板分为铁基和铜基两类。铁基的适用于钢铝导线，铜基的适用于铜导线。制造方法如下：以金属(铁、铜)粉末为基本成分，添加一些润滑成分(如碳、铅、二硫化铝等)，机械混合，将混料模压成型，然后高温烧结，再浸入润滑油，最后机加工成型。该滑板机械强度高，抗冲击性好，有较好的导电性，耐热性高，热传导性良好，耐磨性和减磨性好，有一定的自润滑性能，电腐蚀性较小。由于是金属基，在运行中易产生产生电弧，使铜基滑板局部熔化产生金属珠溶粘在导线和滑板上，造成更多的硬点加速对导线的磨损。加之其自润滑性能的局限性，对接触网的铜导线的磨耗比较严重。由于强度和硬度极高，在高速运行时与接触网中的某些硬点的撞击中，会在硬点区产生很强的冲击力，造成硬点恶化，并使接触网的铜导线的联接点松动和移位，对接触网造成潜在事故。

(2)纯碳滑板

纯碳滑板制造方法如下：将一定比例的沥青焦、石油焦、石墨粉、炭黑或硬碳混合均匀；然后加入一定量的煤焦油沥青，搅拌成炭糊状；然后将炭糊挤压成型；成型坯料在高温保护性气氛烧结炉内焙烧；向焙烧制品中浸高温煤油焦沥青；浸渍后进行固化处理，制得滑板坯料；最后对滑板坯料进行机加工整形，得到纯碳滑板成品。浸渍高温沥青既可以降低滑板的孔隙率，达到封孔和防水的目的，还可以提高滑板的综合机械性能。纯碳滑板本身就是很好的润滑剂，自润滑性能和减磨性能好，对接触网的导线磨损小，滑动时发出的电磁干扰小，且耐高温，不易和接触网的导线发生焊附现象，纯碳滑板在与接触网的铜导线摩擦时可以在导线上形成一层碳膜，大大改善了导线的磨耗状况。但机械强度低，易出现断裂、掉块，常出现弓网事故。另外，碳滑板固有电阻大，集电容量小，接触温度高，有可能引起导线过热氧化，烧成连续麻坑，加速导线磨耗。目前我国某些电力路段的电力机车受电弓滑板采用了一些进口的整体式纯碳滑板，由碳条和铝托两部分粘接而成。从目前的使用情况来看优于粉末冶金和浸金属碳滑板，但脆性大、耐冲击性差，也出现断裂和掉块现象，所以进口纯碳滑板在我国部分线路上运行时两边都加2mm厚的铝护板，以此来增加其抗冲击能力，减少掉块和断裂现象，但这只是为了保护纯碳滑板，而没有虑及接触网的安全，如果按照正常的标准产品是不允许加护板的。

(3)浸金属碳滑板

浸金属碳滑板制造方法如下：先制成碳滑板坯料，然后采用真空高压浸渍设备向坯料中浸渍熔融金属(锡、锑、铜铅合金或巴氏合金)，形成坚硬的网状骨架，达到提高滑板强度、耐冲击性、耐磨性和延长使用寿命的目的。该滑板既具有粉末冶金滑板机械强度高、电阻率小的特点，又具有纯碳滑板对导线磨耗小、在导线摩擦表面易形成润滑膜和熄弧性强的优良性能，具有较好的电学性能，基本解决了碳滑板机械强度低的问题，耐磨性能大大提高，能根本解决导线磨耗过快的问题；但抗冲击力不足，大部分在没有磨耗到极限前就发生断裂、掉块，甚至引起刮弓故障，使用过程中需要整形，成本高。

表1是滑板主要类型及性能指标。

表1  滑板主要类型及性能指标

公开号为CN1178745A的中国专利公开了用短纤维增强的碳-碳复合材料受电弓滑板，该滑板以镀铜碳粉末为基体材料，以短碳纤维为增强剂，以热固性树脂作为粘接剂，采用湿态或干态混合的方法，将原料充分混合，然后进行冷压或热压成型，有效解决了滑板本身及对铜导线磨损严重的问题，但机械强度依旧不足，且电阻率偏高。

公开号为CN1265429A的中国专利对上述专利公开的技术进行了改进，用连续长碳纤维增强的碳铜复合材料制造受电弓滑板。该发明采用石墨、焦炭、炭黑等碳质材料以及铅、锡等金属和粘接剂等各组分混合造粒，然后对其镀铜获得基体骨料，将基体骨料充分混合进行冷压，在冷压过程中加入连续长碳纤维，然后再进行热压或热挤压处理，得到所需的受电弓滑板。该滑板虽具有良好的摩擦磨损性能，但冲击韧性依旧不足。

发明内容

本发明的第一个目的是提出一种网状层压碳-铜复合材料受电弓滑板1。该滑板有综合性能良好，具有高强度、高韧性、高耐磨性、低电阻率等优点。为实现以上目的，本发明采用以下技术方案。所述的受电弓滑板是由网状层压碳-铜复合材料制成的、形状和大小符合国家电力机车技术标准的受电弓滑板，所述的网状层压碳-铜复合材料由多层平铺叠合在一起的片状材料经热压固化制备而成，片状材料为石墨纸2和复合层，复合层由细铜丝网4平铺叠合在带网孔的碳纤维布3上构成，带网孔的碳纤维布3上涂布有由石墨粉、铜粉、热固性树脂混合而成的糊状胶，片状材料的平铺叠合次序是多层复合层夹在两层石墨纸2之间。

本发明的第二个目的是提供所述的受电弓滑板的制造方法。为实现以上目的，本发明采用以下技术方案。该方法包括制胚、热压固化、加工成形和后处理四道工序，制胚工序制得制备受电弓滑板的胚料，热压固化工序使胚料致密固化，加工成形工序将固体胚料加工成形状和大小符合国家电力机车技术标准的受电弓滑板，后处理工序用热固性树脂密封受电弓滑板内的所有微孔，得网状层压碳-铜复合材料受电弓滑板1。

现结合附图详细说明本发明的技术方案。一种网状层压碳-铜复合材料受电弓滑板1的制造方法，其特征在于，包含以下工序：

第一道工序制胚

将石墨粉、铜粉和热固性树脂均匀混合成糊状胶，石墨粉和铜粉的平均粒径分别为120μm和8μm，热固性树脂是酚醛树脂、耐高温酚醛树脂或环氧树脂，铜粉、石墨粉与热固性树脂的重量比为1～2.5∶1～3∶5～7，用刷涂机将糊状胶加压涂布在带网孔的碳纤维布3上，使糊状胶渗透到带网孔的碳纤维布3的网孔和纤维束棱间隙中，再在带网孔的碳纤维布3上平铺一层细铜丝网4，带网孔的碳纤维布3与细铜丝网4构成复合层，带网孔的碳纤维布3的网孔的直径为0.3mm～0.6mm，细铜丝网4的孔径为40目、60目或80目，细铜丝网4的铜丝直径为0.10mm±0.02mm，在复合层上涂糊状胶，在复合层上平铺另一层复合层，一层一层如此平铺，直到复合层叠合物达到所需高度为止，再在复合层叠合物的上、下面各平铺一层石墨纸2，将所得的复合层叠合物放入烘干炉中预烘，预烘温度为90℃±5℃，使糊状胶中热固性树脂中的溶剂挥发，得网状层压碳-铜复合材料的胚料；

第二道工序热压固化

将第一道工序得到的胚料放在热压机上加压加热直至固化，加热温度为160℃～200℃，加压压力为35MPa～40MPa，加热时间为30分钟～50分钟，得网状层压碳-铜复合材料的固化胚料；

第三道工序加工成形

按照国家电力机车技术标准，对第二道工序得到的网状层压碳-铜复合材料的固化胚料进行机械加工，得形状和大小符合国家电力机车技术标准的受电弓滑板的半成品；

第四道工序后处理

在5MPa～8MPa的压力下，对第三道工序得到的受电弓滑板的半成品进行高压浸渍热固性树脂，堵掉存于所述的受电弓滑板的半成品内的所有微孔，干燥，得网状层压碳-铜复合材料受电弓滑板1的成品，热固性树脂是酚醛树脂、耐高温酚醛树脂或环氧树脂

本发明的技术方案的进一步特征在于，带网孔的碳纤维布3是由碳纤维丝编制而成的。采用了编制而成的带网孔的碳纤维布3后，使得长纤维束互相编织、互相拉紧，使碳纤维的抗拉作用得到最大发挥，从微观结构上保证制造的受电弓滑板具有良好的力学性能以及耐磨和减摩性能。粉末进入带网孔的碳纤维布3网孔和纤维束棱间隙中，使其在小范围内实现粉末冶金，这就像浸金属碳滑板一样，铜粉在碳纤维基体中形成细密的空间三维网状结构，使其热导率和电导率都得到提高。另外，细铜丝网4也加固了布层间的作用力和提高了电导率。石墨粉和上、下两侧的石墨纸2对接触网的铜导线起到润滑的作用。

与背景技术相比，本发明具有以下优点：

1、综合性能好：高强度、高韧性、高耐磨性、低电阻率

本发明的受电弓滑板为整体式弧线型滑板，既有纤维增强复合材料滑板的优良的力学性能，也有碳滑板优良的润滑性能和浸金属碳滑板的优良导电性能，高强度、高韧性、高耐磨性、低电阻率，可减少电气化铁路电网的铜导线磨损，同时自身磨耗小。

2、产品内外质量均匀一致，电阻值稳定

本发明的受电弓滑板内外质量均匀一致，电阻值稳定，是现代高速铁路电力机车所需的理想受电弓滑板。

3、本发明的制备方法有设备要求低，工艺简单，易于加工，生产成本低，易于实现工业生产的优点。

附图说明

图1是本发明的受电弓滑板的正视图，图中，1为网状层压碳-铜复合材料受电弓滑板，A-A处有截面。

图2为位于图1中的A-A处的截面图。图中，2为石墨纸，3为带网孔的碳纤维布，4为细铜丝网。

具体实施方式

现结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案。所有的实施例均按照上述的制备方法的工序进行操作，以下每个实施例仅罗列关键的技术数据。

实施例1

第一道工序中，热固性树脂是酚醛树脂，铜粉、石墨粉与热固性树脂的重量比为1∶3∶6，带网孔的碳纤维布3的网孔的直径为0.6mm，细铜丝网4的孔径为40目，细铜丝网4的铜丝直径为0.12mm，预烘温度为90℃；第二道工序中，加热温度为180℃，加压压力为40MPa，加热时间为30分钟；第四道工序中，浸渍热固性树脂的压力为6.5MPa，热固性树脂是酚醛树脂。

制成的受电弓滑板的技术指标：密度为1.90g/cm³，电阻率为10.2μΩm，抗压强度为122MPa，抗弯强度为380MPa，冲击韧性为48J/cm²。

实施例2

第一道工序中，热固性树脂是酚醛树脂，铜粉、石墨粉与热固性树脂的重量比为2∶2∶6，带网孔的碳纤维布3的网孔的直径为0.45mm，细铜丝网4的孔径为60目，细铜丝网4的铜丝直径为0.10mm，预烘温度为90℃；第二道工序中，加热温度为180℃，加压压力为40MPa，加热时间为30分钟；第四道工序中，浸渍热固性树脂的压力为6.5MPa，热固性树脂是酚醛树脂。

制成的受电弓滑板的技术指标：密度为2.02g/cm³，电阻率为7.2μΩm，抗压强度为116MPa，抗弯强度为358MPa，冲击韧性为42J/cm²。

实施例3

第一道工序中，热固性树脂是耐高温酚醛树脂，铜粉、石墨粉与热固性树脂的重量比为2.5∶2∶5.5，带网孔的碳纤维布3的网孔的直径为0.45mm，细铜丝网4的孔径为60目，细铜丝网4的铜丝直径为0.10mm，预烘温度为90℃；第二道工序中，加热温度为200℃，加压压力为37.5MPa，加热时间为40分钟；第四道工序中，浸渍热固性树脂的压力为6.5MPa，热固性树脂是耐高温酚醛树脂。

制成的受电弓滑板的技术指标：密度为2.18g/cm³，电阻率为5.6μΩm，抗压强度为107MPa，抗弯强度为280MPa，冲击韧性为38J/cm²。

实施例4

第一道工序中，热固性树脂是环氧树脂，铜粉、石墨粉与热固性树脂的重量比为2∶2.5∶5.5，带网孔的碳纤维布3的网孔的直径为0.3mm，细铜丝网4的孔径为80目，细铜丝网4的铜丝直径为0.08mm，预烘温度为85℃；第二道工序中，加热温度为160℃，加压压力为35MPa，加热时间为50分钟；第四道工序中，浸渍热固性树脂的压力为8MPa，热固性树脂是环氧树脂。

制成的受电弓滑板的技术指标：密度为2.10g/cm³，电阻率为6.4μΩm，抗压强度为109MPa，抗弯强度为336MPa，冲击韧性为39J/cm²。

实施例5

第一道工序中，热固性树脂是环氧树脂，铜粉、石墨粉与热固性树脂的重量比为2∶1∶7，带网孔的碳纤维布3的网孔的直径为0.45mm，细铜丝网4的孔径为60目，细铜丝网4的铜丝直径为0.08mm，预烘温度为85℃；第二道工序中，加热温度为160℃，加压压力为35MPa，加热时间为50分钟；第四道工序中，浸渍热固性树脂的压力为5MPa，热固性树脂是环氧树脂。

制成的受电弓滑板的技术指标：密度为1.96g/cm³，电阻率为6.5μΩm，抗压强度为106MPa，抗弯强度为314MPa，冲击韧性为41J/cm²。

Claims (3)

1、一种网状层压碳-铜复合材料受电弓滑板(1)，其特征在于，由网状层压碳-铜复合材料制成的、形状和大小符合国家电力机车技术标准的受电弓滑板，所述的网状层压碳-铜复合材料由多层平铺叠合在一起的片状材料经热压固化制备而成，片状材料为石墨纸(2)和复合层，复合层由细铜丝网(4)平铺叠合在带网孔的碳纤维布(3)上构成，带网孔的碳纤维布(3)上涂布有由石墨粉、铜粉、热固性树脂混合而成的糊状胶，片状材料的平铺叠合次序是多层复合层夹在两层石墨纸(2)之间。

2、一种网状层压碳-铜复合材料受电弓滑板(1)的制造方法，其特征在于，包含以下工序：

第一道工序 制胚

将石墨粉、铜粉和热固性树脂均匀混合成糊状胶，石墨粉和铜粉的平均粒径分别为120μm和8μm，热固性树脂是酚醛树脂、耐高温酚醛树脂或环氧树脂，铜粉、石墨粉与热固性树脂的重量比为1～2.5∶1～3∶5～7，用刷涂机将糊状胶加压涂布在带网孔的碳纤维布(3)上，使糊状胶渗透到带网孔的碳纤维布(3)的网孔和纤维束棱间隙中，再在带网孔的碳纤维布(3)上平铺一层细铜丝网(4)，带网孔的碳纤维布(3)与细铜丝网(4)构成复合层，带网孔的碳纤维布(3)的网孔的直径为0.3mm～0.6mm，细铜丝网(4)的孔径为40目、60目或80目，细铜丝网(4)的铜丝直径为0.10mm±0.02mm，在复合层上涂糊状胶，在复合层上平铺另一层复合层，一层一层如此平铺，直到复合层叠合物达到所需高度为止，再在复合层叠合物的上、下面各平铺一层石墨纸(2)，将所得的复合层叠合物放入烘干炉中预烘，预烘温度为90℃±5℃，使糊状胶中热固性树脂中的溶剂挥发，得网状层压碳-铜复合材料的胚料；

第二道工序 热压固化

将第一道工序得到的胚料放在热压机上加压加热直至固化，加热温度为160℃～200℃，加压压力为35MPa～40MPa，加热时间为30分钟～50分钟，得网状层压碳-铜复合材料的固化胚料；

第三道工序加工成形

按照国家电力机车技术标准，对第二道工序得到的网状层压碳-铜复合材料的固化胚料进行机械加工，得形状和大小符合国家电力机车技术标准的受电弓滑板的半成品；

第四道工序后处理

在5MPa～8MPa的压力下，对第三道工序得到的受电弓滑板的半成品进行高压浸渍热固性树脂，堵掉存于所述的受电弓滑板的半成品内的所有微孔，干燥，得网状层压碳-铜复合材料受电弓滑板(1)的成品，热固性树脂是酚醛树脂、耐高温酚醛树脂或环氧树脂。

3、根据权利要求2所述的网状烧结铜-碳复合材料受电弓滑板(1)的制造方法，其特征在于，带网孔的碳纤维布(3)由碳纤维丝编制而成。

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