CN101830723B - 一种受电弓滑板炭/炭复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种受电弓滑板炭/炭复合材料的制备方法，在高残炭率的树脂溶液中加入硼催化剂和分散剂，再将其浸渍于炭纤维编织体中，之后经过加压固化处理和常压炭化处理，反复上述过程后，最后进行高温石墨化处理。本发明的制备方法生产成本低、生产周期短、工艺简单、适于产业化，采用该方法制备的受电弓滑板炭/炭复合材料具有良好的摩擦性能和导电性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种炭材料的制备方法，特别涉及一种受电弓滑板炭/炭复合材料的制备方法。
背景技术
电力机车的滑板与接触网导线不断产生电冲击与机械冲击磨耗，是电力机车中更换最频繁，消耗量最大的部件，因此高速电力机车的发展对滑板材料提出了非常苛刻的要求：1)良好的导电性能；2)优良的摩擦磨损性能和自润滑性，对输电导线磨损小，同时又要求滑板自身磨耗小；3)机械强度高，能经受一定振动和冲击载荷且不损坏；5)轻量化。
炭/炭复合材料是一种用高强炭纤维增强炭基体的新型纯炭复合材料，质轻、强度高和环境服役性好等特殊优势赋予其广泛的应用领域。采用CVI法制备的炭/炭复合材料已在高速电力机车受电弓滑板上试用成功，整体性能大幅度提高，但这种制备工艺周期较长、成本较高和导电性较差(电阻率为37.3μΩ·m)等因素也导致其难以大规模应用。液相浸渍-炭化是一种低成本制备炭/炭复合材料的方法，其缺点是酚醛树脂浸渍剂炭化形成的酚醛树脂炭(简称酚醛炭)硬度较大且难石墨化炭，降低了材料的导电性能和摩擦学性能。
引入催化剂对热固性树脂炭进行催化石墨化，是提高酚醛树脂炭石墨化度的一种有效方法。李崇俊等报道向树脂炭微粉中加入单质硼作为催化剂，在石墨化温度为2100℃、催化剂硼用量小于5.0wt％工艺条件下，树脂炭基炭/炭复合材料的石墨化度达到了82％，而无催化剂的炭/炭复合材料在2500℃下石墨化度才达到71％。这表明硼在降低石墨化温度和提高石墨化度方面均有明显作用。但目前由于所采用的催化剂分布不均匀，因此将其应用于制备滑板炭/炭复合材料的工艺中仍受到很大限制。同时目前并没有完整的采用液相浸渍-炭化方法制备受电弓滑板炭/炭复合材料工艺的相关研究。
发明内容
本发明旨在提供一种生产成本低、生产周期短、工艺简单、适于产业化的制备受电弓滑板炭/炭复合材料的方法，并且采用该方法制备的受电弓滑板炭/炭复合材料摩擦性能和导电性能也较高。
本发明采用以下方案实现：
受电弓滑板炭/炭复合材料的制备方法，包括以下工序，
(A)向残炭率在55％以上的热固性树脂液中加入硼类催化剂和/或有机分散剂。其中硼元素质量∶树脂质量为(0.5～1)∶100，分散剂使用比例为：100克树脂加入0～50ml分散剂；
硼类催化剂可以是硼酸或硼酸有机酯类中的一种，常用的硼酸有机酯有：硼酸三乙酯和硼酸三甲酯；有机分散剂选自液体醇类或液体醛类中的一种，常用的液体醇类有乙醇、丙醇和乙二醇；常用液体醛类则包括水杨醛和苯甲醛；残炭率在55％以上热固性树脂作为基体炭原料，可以是氨酚醛树脂、硼酚醛树脂和呋喃树脂。
(B)将炭纤维编织体浸渍于上述树脂体系中，浸渍压力为1.5～2.0MPa，温度为75～85℃，浸渍时间可调，一般为2～3h；
为提高滑板材料的力学性能，作为增强体的炭纤维编织体选自下述材料中的一种：针刺无纬布准三维整体毡、无纬布网胎混合整体毡、三向炭纤维编织整体毡。
(C)将上述浸渍了树脂后的炭纤维编织体进行加压固化，固化压力为1.5～2.0MPa，固化温度为160～180℃，保温时间可调，一般为2～3h；
(D)将上述固化后的样品在隔绝空气条件下，进行炭化处理，炭化处理温度为900～1000℃，保温时间可调，一般为2～3h；
(E)重复B-D三个工序至材料密度不低于1.60g/cm3；由于经过这道反复浸渍-炭化处理流程之后，材料密度不断增加，因此称其为浸渍-炭化增密流程。
(F)之后将经过上述反复浸渍-炭化处理的材料进行石墨化处理，温度为2000～2400℃，保温时间可调，一般为2～4h，即制得受电弓滑板炭/炭复合材料。
与现有的制备方法相比，本发明具有以下优点：
1.由于在树脂中加入硼催化剂，并选用合适的分散剂，一是可以使催化剂均匀地分散于树脂中；二是能降低树脂的粘度或者能提高树脂的残炭率，提高树脂的后续浸渍-炭化增密效率。缩减了工艺的流程和生产周期。
2.根据材料不同的性能要求，可以通过调节催化剂的加入量、催化石墨化的反应温度和保温时间来控制材料的性能和生产成本。
3.本发明对生产成本较低的树脂炭基炭/炭复合材料引入催化剂，通过催化石墨化的作用改善了树脂炭基炭/炭复合材料的综合性能，使得性能优越的炭/炭复合材料广泛应用在受电弓滑板材料上成为一种可能。与现行的纯碳整体滑板材料相比，抗折强度和导电性大幅度提高；与CVI法制备的炭/炭复合材料相比，在生产成本和生产周期上优势明显，因此适用于受电弓滑板生产企业的产业化。
4.本发明中所采用的基体炭源为价格低廉的热固性树脂，催化剂为硼类化合物(如硼酸和硼酸三乙酯等)，原料普通易得。因此，相对其它炭/炭复合材料，生产成本较低。
具体实施方式
实施例1
(A)向100g氨酚醛树脂中加入分散剂无水乙醇30ml，3.5g催化剂硼酸，配制浸渍用酚醛树脂溶液，硼元素质量∶酚醛树脂质量约为0.62∶100。
(B)将针刺无纬布准三维整体毡置于上述酚醛树脂中浸渍，浸渍工艺在高压釜中完成，压力为1.5MPa，浸渍温度为75℃条件，浸渍时间为3h；
(C)将上述浸渍树脂后的针刺无纬布准三维整体毡置于高压釜内，进行加压固化，固化压力为1.5MPa，固化温度为160℃，保温时间为3h；
(D)将上述固化后的样品在隔绝空气条件下，在马弗炉中进行炭化处理，温度为950℃，保温时间为2.5h；
(E)重复B-D三个工序六次，材料密度大于1.60g/cm3；
(F)之后将经过上述反复六次的浸渍-炭化处理的材料在石墨化炉中进行石墨化处理，温度为2400℃，保温时间为2h，即制得受电弓滑板炭/炭复合材料。
采用上述工艺制备得到的受电弓滑板炭/炭复合材料，电阻率：16.8μΩ·m，摩擦系数：0.27，磨损量：2.2mm/万Km，大大优于现有的受电弓滑板材料。
实施例2
(A)向100g硼酚醛树脂中加入10ml催化剂硼酸三乙酯，配制浸渍用硼酚醛树脂溶液，硼元素质量∶酚醛树脂质量约为0.66∶100；
(B)将无纬布网胎混合整体毡置于上述硼酚醛树脂中浸渍，在高压釜中，压力为2MPa，温度为80℃条件下，浸渍2h；
(C)将上述浸渍了树脂后的无纬布网胎混合整体毡于高压釜内加压固化，固化压力为2MPa，固化温度为180℃，保温时间为2h；
(D)将上述固化后的样品在隔绝空气条件下，在马弗炉中进行炭化处理，温度为1000℃，保温时间为3h；
(E)重复B-D三个工序六次，材料密度为1.62g/cm3；
(F)之后将经过上述反复六次的浸渍-炭化处理的材料在石墨化炉中升温进行石墨化处理，温度为2200℃，保温时间为3h，即制得受电弓滑板炭/炭复合材料。
上述工艺制备得到的受电弓滑板炭/炭复合材料，电阻率：15.6μΩ·m，摩擦系数：0.26，磨损量：2.0mm/万Km，大大优于现有的受电弓滑板材料。
实施例3
(A)向100g氨酚醛树脂中，加入分散剂水杨醛40ml和催化剂硼酸5g，配制浸渍用酚醛树脂溶液，硼元素质量∶酚醛树脂质量约为0.89∶100；
(B)将针刺无纬布准三维整体毡置于上述酚醛树脂中浸渍，浸渍工艺在高压釜中完成，压力为2MPa，浸渍温度为85℃，浸渍时间为2h；
(C)将上述浸渍树脂后的针刺无纬布准三维整体毡于高压釜内加压固化，固化压力为1.5MPa，固化温度为180℃，保温时间为2h；
(D)将上述固化后的样品在隔绝空气条件下，在马弗炉中进行炭化处理，温度为900℃，保温时间为3h；
(E)重复B-D三个工序六次，材料密度大于1.60g/cm3；
(F)之后将经过上述反复六次的浸渍-炭化处理的材料在石墨化炉中进行石墨化处理，温度为2000℃，保温时间为4h，即制得受电弓滑板炭/炭复合材料。
采用上述工艺制备得到的受电弓滑板炭/炭复合材料，电阻率：15.3μΩ·m，摩擦系数：0.25，磨损量：2.1mm/万Km，大大优于现有的受电弓滑板材料。
实施例4
(A)向100g呋喃树脂中加入分散剂苯甲醛50ml、催化剂硼酸4g，配制浸渍用呋喃树脂溶液，硼元素质量∶酚醛树脂质量约为0.71∶100；
(B)将针刺无纬布准三维整体毡置于上述呋喃树脂中浸渍，浸渍工艺在高压釜中完成，压力为1.5MPa，浸渍温度为80℃，浸渍时间为2.5h；
(C)将上述浸渍树脂后的针刺无纬布准三维整体毡于高压釜内加压固化，固化压力为1.5MPa，温度为170℃，保温时间为2.5h；
(D)将上述固化后的样品在隔绝空气条件下，在马弗炉中进行炭化处理，温度为1000℃，保温时间为2h；
(E)重复B-D三个工序六次，材料密度大于1.62g/cm3；
(F)之后将经过上述反复六次的浸渍-炭化处理的材料在石墨化炉中进行石墨化处理，温度为2200℃，保温时间为3h，即制得受电弓滑板炭/炭复合材料。
采用上述工艺制备得到的受电弓滑板炭/炭复合材料，电阻率：16.1μΩ·m，摩擦系数：0.27，磨损量：2.0mm/万Km，大大优于现有的受电弓滑板材料。
实施例5
(A)向100g硼酚醛树脂中加入15ml催化剂硼酸三甲酯，配制浸渍用硼酚醛树脂，硼元素质量∶酚醛树脂质量约为0.98∶100；
(B)将无纬布网胎混合整体毡置于上述硼酚醛树脂中浸渍，在高压釜中，压力为1.8MPa，温度为75℃条件下，浸渍3h；
(C)将上述浸渍了树脂后的无纬布网胎混合整体毡于高压釜内加压固化，固化压力为1.8MPa，固化温度为170℃，保温时间为2.5h；
(D)将上述固化后的样品在隔绝空气条件下，在马弗炉中进行炭化处理，温度为950℃，保温时间为3h；
(E)重复B-D三个工序六次，材料密度为1.60g/cm3；
(F)之后将经过上述反复六次的浸渍-炭化处理的材料在石墨化炉中进行石墨化处理，温度为2400℃，保温时间为2h，即制得受电弓滑板炭/炭复合材料。
采用上述工艺制备得到的受电弓滑板炭/炭复合材料，电阻率：16.8μΩ·m，摩擦系数：0.22，磨损量：2.3mm/万Km，大大优于现有的受电弓滑板材料。
实施例6
(A)向100g硼酚醛树脂中加入分散剂丙醇25ml，6g催化剂硼酸，配制浸渍用硼酚醛树脂溶液，硼元素质量∶酚醛树脂质量约为1.05∶100。
(B)将针刺无纬布准三维整体毡置于上述硼酚醛树脂中浸渍，浸渍工艺在高压釜中完成，压力为1.8MPa，浸渍温度为80℃条件，浸渍时间为3h；
(C)将上述浸渍树脂后的针刺无纬布准三维整体毡置于高压釜内，进行加压固化，固化压力为1.5MPa，固化温度为175℃，保温时间为3h；
(D)将上述固化后的样品在隔绝空气条件下，在马弗炉中进行炭化处理，温度为950℃，保温时间为2.5h；
(E)重复B-D三个工序六次，材料密度大于1.62g/cm3；
(F)之后将经过上述反复六次的浸渍-炭化处理的材料在石墨化炉中进行石墨化处理，温度为2100℃，保温时间为3.5h，即制得受电弓滑板炭/炭复合材料。
上述工艺制备得到的受电弓滑板碳/碳复合材料电阻率：16.5μΩ·m，摩擦系数：0.24，磨损量：2.1mm/万Km，大大优于现有的受电弓滑板材料。
Claims (6)
1.一种受电弓滑板炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下工序，
(A)向残炭率在55％以上的热固性树脂液中加入硼酸和有机分散剂，每100克树脂中加入不超过50ml的分散剂；或向残炭率在55％以上的热固性树脂液中加入有机硼酸酯；硼元素质量∶树脂质量为(0.5～1)∶100；
(B)将炭纤维编织体浸渍于上述树脂体系中，浸渍压力为1.5～2.0MPa，温度为75～85℃；
(C)将上述浸渍了树脂后的炭纤维编织体进行加压固化，固化压力为1.5～2.0MPa，温度为160～180℃；
(D)将上述固化后的样品在隔绝空气条件下，进行炭化处理，炭化处理温度为900～1000℃；
(E)重复B-D三个工序至材料密度不低于1.60g/cm3；
(F)之后将经过上述反复浸渍-炭化处理的材料进行石墨化处理，温度为2000～2400℃，即制得受电弓滑板炭/炭复合材料。
2.如权利要求1所述的受电弓滑板炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于：所述的有机硼酸酯优选硼酸三乙酯和硼酸三甲酯。
3.如权利要求1所述的受电弓滑板炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于：所述的有机分散剂选自下述物质中的一种：液体醇类和液体醛类，所述的液体醇类为乙醇、丙醇和乙二醇，所述的液体醛类为水杨醛和苯甲醛。
4.如权利要求1-3之一所述的受电弓滑板炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于：所述的热固性树脂优选氨酚醛树脂、硼酚醛树脂和热固性呋喃树脂。
5.如权利要求1-3之一所述的受电弓滑板炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于：所述的炭纤维编织体选自下述材料中的一种：针刺无纬布准三维整体毡、无纬布网胎混合整体毡、三向炭纤维编织整体毡。
6.如权利要求4所述的受电弓滑板炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于：所述的炭纤维编织体选自下述材料中的一种：针刺无纬布准三维整体毡、无纬布网胎混合整体毡、三向炭纤维编织整体毡。
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