CN102002621B - 受流器滑块用炭基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种受流器滑块用炭基复合材料，其特征在于：该材料是以石墨、活性炭两者的混合物作为基体，两者含量占总组分质量百分比分别为15-30％和20-30％；以铜粉作为导电组分，导电组分含量在总组分中所占的质量百分比为15-35％；以固态酚醛树脂为粘结剂，其在总组分中所占的质量百分比为10-20％；以硅粉、玻璃粉、氧化铝、铝粉、锡粉、钴粉和二硫化钼的混合物作为改性剂，在总组分中所占的质量百分比分别为1-6％，1-6％，1-6％，2-8％，2-8％，1-2％和1-2％。本发明的材料具有金属导电网络结构，能有效地提高材料的导电性能；石墨既作为基体，又起到减摩作用，制备的滑块材料摩擦系数小，改性成分可以改善金属基体与炭基体的界面结合，提高炭基滑块材料的机械性能。

Description

受流器滑块用炭基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种适于导电轨受电的地铁和轻轨车辆受流器滑块用炭基复合材料及其制备方法，属于炭基复合材料技术领域。

背景技术

城市轨道车辆受电方式有两种：架空接触网和导电轨。导电轨受电系统因其易于安装、检修方便、寿命长、环境影响小，正在受到越来越广泛的重视和应用。受流器滑块是导电轨受电系统的关键集电元件，长期与导电轨道滑动接触，所以要求滑块材料不仅具有良好的导电性能，还要有较高的机械强度，较小的摩擦系数，此外针对其更换频繁，使用率高的特点，该滑块材料还应具有简单的成型工艺和低廉的成本。

早期使用的受流器滑块为黄铜材料，导电轨为低炭钢轨，如北京、天津早期的地铁。黄铜材料的特性是导电性好，对导电轨磨耗小，但是自身耐磨性较差，该滑块使用寿命不超过3个月，2个车辆段每年仅此项开支就要超过100万元。新建设的线路多采用高导电性的钢铝复合轨(如正在建设中的北京地铁五号线、四号线，广州地铁四号线、五号线及天津地铁一号线)，而目前专门用于钢铝复合轨的受流器滑块炭基复合材料未见相关报道。

与导电轨受电相关的技术有：公开号为CN2598823Y的专利《受流器接触板》，为解决导电轨和接触板自身磨损问题，设计了一个开有螺杆安装孔中部固装石墨滑块的支承体，该发明与原铜质滑块相比导电性好，耐磨性提高，但该发明使用的滑块材料为纯石墨制品，机械强度较差，使用中易出现断裂、掉块现象；公开号为CN1932067A的发明专利《一种铜基石墨与锆粉末冶金复合材料及其制备方法和用途》，公开了一种用于磁浮列车受流器受电靴滑块的粉末冶金复合材料制备方法，即将基体铜与锆粉先烧结成形后粉碎，再与其它添加剂经过初压、烧结、复压后制得复合材料，该方法制备的复合材料有较高的机械强度和良好的导电性能，但摩擦系数偏大。

目前涉及接触网受电弓滑板材料制备技术的文献和专利较多。公知的受电弓滑板材料制备方法主要有纯金属滑板、粉末冶金滑板、纯炭滑板及浸金属炭滑板，以上方法制备的滑板材料综合性能不是很好。为了改进受电弓滑板材料综合性能，公开号CN1178745A的专利提出了一种电力机车用炭-炭复合材料受电弓滑板材料制备方法：以镀铜炭粉为基体，短炭纤维为增强剂，热固性树脂为粘结剂，湿态或干态混合后冷压或热压成型，该发明制备的受电弓滑板有良好的导电性能；公开号CN1719549A的专利提出了一种混杂纤维增强复合材料受电弓滑板制备方法：以金属网和混杂纤维增强复合材料为基材并使之相互层间分布，该发明制备的受电弓滑板有良好的机械性能、导电性能，磨耗也较小；公开号CN1793408A的专利提出了一种电力机车受电弓滑板材料制备方法：以铜为基体，镀铜炭材料为减摩剂，镀铜炭纤维为增强剂，铅、铁、铬、镧金属粉为添加剂，将所有组分混合模压成型后烧结，该发明制备的受电弓滑板综合性能较好。上述受电弓滑板材料制备方法都是建立在接触网受电基础上，这种受电方式下与受电弓滑板形成摩擦副的是铜接触网，而采用导电轨受电的轨道车辆，受流器滑块与钢铝复合轨形成摩擦副。显然由于受电方式不同，摩擦副材料不同，上述受电弓滑板材料不适合直接用作受流器滑块材料。

发明内容

本发明的目的是针对上述受流器滑块材料的不足，提出一种新型受流器滑块用炭基复合材料及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

本发明的受流器滑块用炭基复合材料，具体组成为：以石墨、活性炭两者的混合物作为基体，两者含量占总组分质量百分比分别为15-30％和20-30％；以铜粉作为导电组分，导电组分含量在总组分中所占的质量百分比为15-35％；以固态酚醛树脂为粘结剂，其在总组分中所占的质量百分比为10-20％；以硅粉、玻璃粉、氧化铝、铝粉、锡粉、钴粉和二硫化钼的混合物作为改性剂，在总组分中所占的质量百分比分别为1-6％，1-6％，1-6％，2-8％，2-8％，1-2％和1-2％。将上述物料采用干态混合的方法，将原料充分混合后进行热压成型，然后在氮气气氛中常压炭化，然后在真空炉中压力100-150Pa和温度25-50℃条件下渗积硅溶胶，最后得到炭基滑块材料。

其中，铜粉粒度小于200目，石墨和活性炭粒度小于200目；硅粉、玻璃粉、氧化铝、铝粉、锡粉、钴粉和二硫化钼的粒度小于200目。上述受流器滑块用炭基复合材料制备方法包括以下几个步骤：

(1)混料：先将石墨、活性炭和固态酚醛树脂三者均匀混合，同时另将硅粉、玻璃粉、氧化铝、铝粉、锡粉、钴粉、铜粉和二硫化钼粉末混合均匀，然后将两组混合物在球磨机中搅拌混合，球磨时间10-20h制成模压粉料；

(2)热压成型：将步骤(1)制得的模压粉料放入模具中，在热压成型机上分四个阶段加热加压固化成型：

第一阶段：温度60-80℃，压力10-50MPa，保压时间：30min

第二阶段：温度100-110℃，压力200-250MPa，保压时间：30min

第三阶段：温度180-250℃，压力200-250MPa，保压时间：4-8h

第四阶段：温度350-450℃，压力200-220MPa，保压时间：10-15h；

(3)烧结：对步骤(2)所压制的试样在真空炭化炉中进行烧结处理，处理温度为700-900℃，升温速度为1.5℃/min，烧结压力为1个大气压；烧结气氛为氮气，保温时间4-10h；

(4)将步骤(3)烧结后的样品放在1.8mol/L的硅溶胶溶液中，之后一起放入真空炉，渗积压力100-150Pa，温度为25-50℃。

本发明的优点及功效在于：依照本发明方法制备的受流器滑块用炭基复合材料，具有金属导电网络结构，能有效地提高材料的导电性能；石墨既作为基体，又起到减摩作用，制备的滑块材料摩擦系数小，改性成分可以改善金属基体与炭基体的界面结合，提高炭基滑块材料的机械性能。同时本发明制备工艺简单，成本低廉，适于进行大批量生产。

附图说明

图1为本发明实施例1的受流器滑块用炭基复合材料组织结构图；

图2为本发明实施例2的受流器滑块用炭基复合材料组织结构图。

单位说明：

℃：摄氏度

℃/h：摄氏度/小时

MPa：兆帕

g/cm³：克/立方厘米

KJ/m²：千焦/平方米

Ω·m：欧·米

mm：毫米

wt％：质量百分比

min：分钟

h：小时

mol/L：摩尔每升

具体实施方式

下面结合几个具体实例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1：

(1)混料：先将石墨、活性炭和固态酚醛树脂按质量比为20％，25％和10％均匀混合，同时另将硅粉、玻璃粉、氧化铝、铝粉、锡粉、钴粉、铜粉和二硫化钼粉末按质量比为5％，3％，3％，3％，3％，1％，25％和2％混合均匀，然后将两组混合物在球磨机中搅拌混合，球磨时间10h制成模压粉料；

(2)热压成型：将步骤(1)制得的模压粉料放入模具中，在热压成型机上分四个阶段加热加压固化成型：

第一阶段：温度80℃，压力50MPa，保压时间：30min

第二阶段：温度100℃，压力200MPa，保压时间：30min

第三阶段：温度200℃，压力200MPa，保压时间：4-8h

第四阶段：温度350℃，压力220MPa，保压时间：10-15h；

(3)烧结：对步骤(2)所压制的试样在真空炭化炉中进行烧结处理，处理温度为700℃，升温速度为1.5℃/min，烧结压力为1个大气压；烧结气氛为氮气，保温时间4h；

(4)将步骤(3)烧结后的样品放在1.8mol/L的硅溶胶溶液中，之后一起放入真空炉，渗积压力100Pa，温度为25℃。

制得的滑块材料密度为2.14g/cm³，电阻率为7.6×10^-6Ω·m，弯曲强度为68MPa，压缩强度为187MPa，冲击强度为8.16KJ/m²，摩擦系数为0.17，金相照片如图1所示。

实施例2：

(1)混料：先将石墨、活性炭和固态酚醛树脂按质量比为20％，25％和10％均匀混合，同时另将硅粉、玻璃粉、氧化铝、铝粉、锡粉、钴粉、铜粉和二硫化钼粉末按质量比为5％，1％，1％，5％，5％，1％，25％和2％混合均匀，然后将两组混合物在球磨机中搅拌混合，球磨时间10h制成模压粉料；

(2)热压成型：将步骤(1)制得的模压粉料放入模具中，在热压成型机上分四个阶段加热加压固化成型：

第一阶段：温度80℃，压力50MPa，保压时间：30min

第二阶段：温度100℃，压力200MPa，保压时间：30min

第三阶段：温度200℃，压力200MPa，保压时间：4-8h

第四阶段：温度350℃，压力220MPa，保压时间：10-15h；

(3)烧结：对步骤(2)所压制的试样在真空炭化炉中进行烧结处理，处理温度为700℃，升温速度为1.5℃/min，烧结压力为1个大气压；烧结气氛为氮气，保温时间4h；

(4)将步骤(3)烧结后的样品放在1.8mol/L的硅溶胶溶液中，之后一起放入真空炉，渗积压力100Pa，温度为25℃。

制得的滑块材料密度为2.19g/cm³，电阻率为6.5×10^-6Ω·m，弯曲强度为72MPa，压缩强度为192MPa，冲击强度为9.34KJ/m²，摩擦系数为0.15，金相照片如图2所示。

本发明制备的滑块材料综合性能优良，制备工艺简单，成本低廉，适于大批量生产。

Claims (1)

1.一种轨道车辆用炭基滑块材料的制备方法，该材料是以石墨、活性炭两者的混合物作为基体，两者含量占总组分质量百分比分别为15-30％和20-30％；以铜粉作为导电组分，导电组分含量在总组分中所占的质量百分比为15-35％；以固态酚醛树脂为粘结剂，其在总组分中所占的质量百分比为10-20％；以硅粉、玻璃粉、氧化铝、铝粉、锡粉、钴粉和二硫化钼的混合物作为改性剂，在总组分中所占的质量百分比分别为1-6％，1-6％，1-6％，2-8％，2-8％，1-2％和1-2％；所述铜粉粒度小于200目，石墨和活性炭粒度小于200目；硅粉、玻璃粉、氧化铝、铝粉、锡粉、钴粉和二硫化钼的粒度小于200目；

其特征在于：该方法包括以下几个步骤：

(1)混料：先将石墨、活性炭和固态酚醛树脂三者均匀混合，同时另将硅粉、玻璃粉、氧化铝、铝粉、锡粉、钴粉、铜粉和二硫化钼粉末混合均匀，然后将两组混合物在球磨机中搅拌混合，球磨时间10-20h制成模压粉料；

(2)热压成型：将步骤(1)制得的模压粉料放入模具中，在热压成型机上分四个阶段加热加压固化成型：

第一阶段：温度60-80℃，压力10-50MPa，保压时间：30min；

第二阶段：温度100-110℃，压力200-250MPa，保压时间：30min；

第三阶段：温度180-250℃，压力200-250MPa，保压时间：4-8h；

第四阶段：温度350-450℃，压力200-220MPa，保压时间：10-15h；

(3)烧结：对步骤(2)所压制的试样在真空炭化炉中进行烧结处理，处理温度为700-900℃，升温速度为1.5℃/min，烧结压力为1个大气压；烧结气氛为氮气，保温时间4-10h；

(4)将步骤(3)烧结后的样品放在1.8mol/L的硅溶胶溶液中，之后一起放入真空炉，渗积压力100-150Pa，温度为25-50℃。