CN104691338A - 一种受电弓滑板用铜网改性炭/炭复合材料的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种受电弓滑板用铜网改性炭/炭复合材料的制造方法。包括：(1)炭纤维、铜网混杂预制体制备：依次将炭纤维无纬布、炭纤维网胎和铜丝直径为50～500μm、网孔直径为150～500μm的连续铜网重叠铺层至少两次，然后在垂直于铺层方向引入炭纤维束制成炭纤维、铜网混杂预制体，其中相邻无纬布的平铺方向相互垂直，炭纤维网胎面密度为50～100g/m2，炭纤维、铜网混杂预制体的密度为0.4～1.10g/cm3；(2)预制体炭增密：采用炭/炭复合材料的增密工艺，使得材料密度达到1.60～2.50g/cm3。本发明的铜网改性炭/炭复合材料具有密度低、磨耗低、强度高、导电率高等特性，可满足我国高速电力机车等对滑动导电材料的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种受电弓滑板用铜网改性炭/炭复合材料的制造方法。
背景技术
受电弓是高速列车供电系统中起关键作用的零部件之一，对行车安全和运营成本有着重要的影响。滑板安装在受电弓最上部的弓头托架上，是高速列车从2.2-2.7万伏高压的线路接触网获取牵引电力的“咽喉”部件，承受高达100-1000A的工作电流、超过300Km/h高速的相对滑动摩擦和离线电弧的烧蚀。滑板在自然环境中工作，与导线构成一副机械与电气相耦合的特殊摩擦副，与常规摩擦磨损相比，其工况条件更加苛刻，要求滑板材料具有较低的密度、良好的导电性、较低的摩擦系数、良好的抗电气磨损性、良好的减磨耐磨性、较高的机械强度和冲击韧性等。
受电弓滑板材料主要经历了金属滑板、纯碳滑板、粉末冶金滑板、浸金属碳滑板和复合材料滑板的发展过程。金属滑板由软钢制成，但对导线磨损严重。纯碳滑板具有对架空线的磨损小、耐电弧性好和对无线电通讯干扰小等优点，但存在机械强度低，电阻率大、耐冲击力小、使用寿命短等缺点，适用范围受限；粉末冶金滑板具有机械强度较高、韧性好、抗冲击性强，电阻小，有利于载流以及维护安装等优点，但随着高速化和集电电流的增加，滑板和架空导线的磨耗率大；浸金属碳滑板，综合了粉末冶金滑板和纯碳滑板各自的优点，基本解决了碳滑板机械强度低的问题，耐磨性大大提高，但抗冲击能力不足，易掉块。近年来，Ti3SiC2系滑板材料的研究发展迅速，其综合性能良好，但仍受制造工艺及硬度的影响。随着铁路的高速化，受电弓滑板材料向低密度、低磨耗、低成本、高强度、高导电率、对导线磨损低的方向发展，单一的材料难以同时满足材料综合性能的要求，高性能滑板材料的研制成为世界关注的课题。铜改性炭/炭复合材料(C/C-Cu)是一种多组元、多种物相组成的复合材料，具有优异的导电、减磨耐磨性能和良好的性能可设计性，是最具前景的高性能滑动导电材料。日本采用研究了不同铜基体和C/C基体的C/C-Cu复合材料性能，发现材料磨损与电弧能量成正比，但纤维的强化对降低材料磨损效果不明显。冉丽萍、高媛等分别采用采用真空熔渗技术和低压辅助熔渗法制备了C/C-Cu复合材料，发现其具有较优良摩擦磨损性能，但作为受电弓滑板材料的可能性尚未证实。涂川俊等以混杂纤维作为增强相制得准三维碳纤维-金属纤维编织预成型体，再浸渍煤沥青碳化后封孔制得准三维纤维编织碳系受电弓滑板，但载流磨损性能有待进一步提高。C/C-Cu复合材料制备过程中，存在C相与Cu相的不润湿性、炭纤维容易受到损伤及融渗法制备复合材料密度太大等问题，如何充分发挥复合材料中C/C的低密度、良好的机械性能、摩擦磨损性能和金属铜的高导电性，达到炭相和铜相良好的协同作用，获得低密度、低磨耗、高强度、高导电率的复合材料的制备方法，是新一代高速列车用滑板材料面临的问题，也是发展我国电气化铁路的关键课题之一，对我国电力机车的提速、高速铁路的全面建设和国民经济建设的发展具有重大的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有较高的力学性能、电性能和优异的载流磨损性能的电力机车受电弓用铜网改性炭/炭滑板材料的制造方法。
为了达到上述目的，本发明的方法包括：
(1)炭纤维、铜网混杂预制体制备：
依次将炭纤维无纬布、炭纤维网胎和铜丝直径为50～500μm、网孔直径为150～500μm的连续铜网重叠铺层至少两次，然后在垂直于铺层方向引入炭纤维束制成炭纤维、铜网混杂预制体，其中相邻无纬布的平铺方向相互垂直，炭纤维网胎面密度为50～100g/m2，炭纤维、铜网混杂预制体的密度为0.4～1.10g/cm2；
(2)预制体炭增密：采用炭/炭复合材料的增密工艺，使得材料密度达到1.60～2.50g/cm3。
优选地，所述炭纤维为聚丙烯腈炭纤维。
优选地，所述引入炭纤维束采用针刺方法，布针密度为每平方厘米16～30针。
优选地，所述预制体炭增密过程包括：
a、采用化学气相渗透(CVI)工艺对炭纤维、铜网混杂预制体进行热解炭增密，反应气由碳源气和稀释气配制而成，碳源气为丙烯、甲烷或丙烯和甲烷的混合气体，稀释气为N2、H2或者为N2和H2的混合气体，稀释比为碳源气∶稀释气＝1∶6～1∶1，沉积温度为800～1000℃，渗透总时间100-1000小时；
b、采用树脂液相浸渍-炭化工艺进行增密，炭化温度范围为800～1000℃，其中，树脂浸渍增密采用呋喃树脂，固化剂为磷酸，质量含量为4-12％，压力为1.0-2.0MPa，浸渍时间为1-5个小时，固化温度为160-200℃。
作为改进，上述b步骤采用沥青液相浸渍-炭化工艺进行增密，炭化温度范围为800～1000℃，沥青为煤沥青，压力为1.0-2.0MPa，浸渍时间为1-5个小时，浸渍温度180-250℃。
作为改进，所述基体炭增密过程采用化学气相渗透(CVI)工艺对炭纤维、铜网混杂预制体进行热解炭增密，反应气由碳源气和稀释气配制而成，碳源气为丙烯、甲烷或丙烯和甲烷的混合气体，稀释气为N2、H2或者为N2和H2的混合气体，稀释比为碳源气∶稀释气＝1∶6～1∶1，沉积温度为800～1000℃，渗透总时间100-1000小时；
作为改进，所述预制体炭增密过程采用树脂液相浸渍-炭化工艺进行增密，炭化温度范围为800～1000℃，其中，树脂浸渍增密采用呋喃树脂，固化剂为磷酸，质量含量为4-12％，压力为1.0-2.0MPa，每次浸渍时间为1-5个小时，固化温度为160-200℃。
作为改进，所述预制体炭增密过程采用沥青液相浸渍-炭化工艺进行增密，炭化温度范围为800～1000℃，沥青为煤沥青，压力为1.0-2.0MPa，每次浸渍时间为1-5个小时，浸渍温度180-250℃。
本发明的有益效果体现在：
1、在国内外首次将连续铜网直接混杂入炭纤维预制体，保证了炭相和铜相的相互耦合又各自连通的组织结构，并制备成铜网改性炭/炭复合材料，其生产工艺简单易控，制备成本较低。炭纤维作为增强物提高了铜网改性炭/炭复合材料的整体强度，另一方面赋予复合材料自润滑、抗电弧、防熔焊、导电导热和低热膨胀等优良特性；连续铜网使铜网改性炭/炭复合材料滑板具有良好的导电性，对导线不易产生磨损，确保材料综合性能。
2、基体炭增密环节中，CVI工艺和液相浸渍-炭化工艺中的炭化温度在接近但低于铜熔点的条件下进行，保证了基体炭结构的同时，确保铜、炭两相的各自连续分布结构。
3、基体炭增密环节中，CVI工艺可获得具有良好导电和摩擦性能的基体炭，液相浸渍-炭化工艺成本低、可补充填充孔隙。二者结合可起到协同增密的效果。
4、通过调节铜网的网径、层数可控制铜网的含量，通过控制化学气相渗透的时间可以控制基体中热解炭和的含量，控制浸渍-炭化时间可以控制基体中树脂炭的含量，从而实现对铜网改性炭/炭复合材料整体滑板微观结构和载流磨损性能的控制。
5、提供了一种全新的、可批量生产的新型铜网改性炭/炭复合材料的制备技术。这种铜网改性炭/炭复合材料具有密度低(1.60～2.50g/cm3，可控)、磨耗低((4-6)mm/10000km)、强度高(压缩强度＞100Mpa)、导电率高(电阻率5-30μΩ.cm等特性，可满足我国高速电力机车等对滑动导电材料的要求。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
制备过程和工艺参数为：
(1)依次将PAN型HTA炭纤维无纬布、T700炭纤维网胎和铜丝直径为50μm、网孔直径为150μm的连续铜网重叠铺层，然后在垂直于铺层方向引入炭纤维束制成炭纤维、铜网混杂预制体，其中相邻无纬布的平铺方向相互垂直，炭纤维网胎面密度为50～100g/m2，炭纤维、铜网混杂预制体的密度为1.10g/cm3；
(2)采用化学气相渗透工艺对炭纤维、铜网混杂预制体进行热解炭增密，反应气由碳源气和稀释气配制而成，碳源气为丙烯，稀释气为N2，稀释比为碳源气∶稀释气＝1∶6，沉积温度为800℃，渗透时间300小时；得到密度为1.60g/cm3的铜网改性炭/炭复合材料。
该铜网改性炭/炭复合材料基体炭在炭纤维周围紧密排列，轴向压缩强度为140Mpa、径向110Mpa，电阻率15.0μΩm，冲击强度1.50J·cm-2，由此可见，该滑板材料具有密度低、强度高、电阻率小等优点。经载流磨损试验表明，该铜网改性炭/炭复合材料材料动态磨损率为6.00mm/10000km，各项指标达到现代电力机车用滑板材料的要求。
实施例2：
制备过程和工艺参数为：
(1)依次将PAN型T300炭纤维无纬布、T700炭纤维网胎和铜丝直径为500μm、网孔直径为500μm的连续铜网重叠铺层，然后在垂直于铺层方向引入炭纤维束制成炭纤维、铜网混杂预制体，其中相邻无纬布的平铺方向相互垂直，炭纤维网胎面密度为50～100g/m2，炭纤维、铜网混杂预制体的密度为0.80g/cm3；
(2)采用化学气相渗透工艺对炭纤维、铜网混杂预制体进行热解炭增密，反应气由碳源气和稀释气配制而成，碳源气为丙烯，稀释气为H2，稀释比为碳源气∶稀释气＝1∶3，沉积温度为1000℃，渗透总时间100小时；得到密度为1.10g/cm3的铜网改性炭/炭复合材料。
采用树脂液相浸渍-炭化工艺进行补充增密，炭化温度范围为800℃，其中，树脂浸渍增密采用呋喃树脂，固化剂为磷酸，含量为4％，压力为1.0MPa，浸渍时间为5个小时，固化温度为180℃，4次浸渍-炭化后得到密度为2.00g/cm3的铜网改性炭/炭复合材料。
该铜网改性炭/炭复合材料开孔隙率仅为10％，基体炭间结合良好，轴向压缩强度为230Mpa、径向210Mpa，电阻率18.0μΩm，冲击强度2.43J·cm-2，由此可见，该滑板材料具有密度低、强度高且各项异性差异小、电阻率小等优点。经载流磨损试验表明，该铜网改性炭/炭复合材料材料动态磨损率为4.00mm/10000km，各项指标达到现代电力机车用滑板材料的要求。
实施例3：
制备过程和工艺参数为：
(1)依次将PAN型T300炭纤维无纬布、T700炭纤维网胎和铜丝直径为100μm、网孔直径为200μm的连续铜网重叠铺层，然后在垂直于铺层方向引入炭纤维束制成炭纤维、铜网混杂预制体，其中相邻无纬布的平铺方向相互垂直，炭纤维网胎面密度为50～100g/m2，炭纤维、铜网混杂预制体的密度为0.85g/cm3；
(2)采用树脂液相浸渍-炭化工艺进行增密，炭化温度范围为1000℃，其中，树脂浸渍增密采用呋喃树脂，固化剂为磷酸，含量为12％，压力为2.0MPa，浸渍时间为3个小时，固化温度为160℃，4次浸渍-炭化后，得到密度为1.95g/cm3的铜网改性炭/炭复合材料。
该铜网改性炭/炭复合材料树脂炭与炭纤维结合良好，发生应力石墨化，轴向压缩强度为240Mpa、径向200Mpa，电阻率20.0μΩm，冲击强度2.02J·cm-2，由此可见，该滑板材料具有密度低、强度高、电阻率小等优点。经载流磨损试验表明，该铜网改性炭/炭复合材料材料动态磨损率为5.40mm/10000km，各项指标达到现代电力机车用滑板材料的要求。
实施例4：
制备过程和工艺参数为：
(1)依次将PAN型T300炭纤维无纬布、T700炭纤维网胎和铜丝直径为100μm、网孔直径为200μm的连续铜网重叠铺层，然后在垂直于铺层方向引入炭纤维束制成炭纤维、铜网混杂预制体，其中相邻无纬布的平铺方向相互垂直，炭纤维网胎面密度为50～100g/m2，炭纤维、铜网混杂预制体的密度为0.85g/cm3；
(2)采用沥青液相浸渍-炭化工艺进行增密，炭化温度范围为800～1000℃，沥青为煤沥青，压力为1.5MPa，浸渍时间为3个小时，浸渍温度220℃。，5次浸渍-炭化后，得到密度为1.90g/cm3的铜网改性炭/炭复合材料。
该铜网改性炭/炭复合材料沥青炭与炭纤维结合良好，沥青炭显示明显的石墨化特征，轴向压缩强度为210Mpa、径向195Mpa，电阻率17.5μΩm，冲击强度2.42J·cm-2，由此可见，该滑板材料具有密度低、强度高、电阻率小等优点。经载流磨损试验表明，该铜网改性炭/炭复合材料材料动态磨损率为5.20mm/10000km，各项指标达到现代电力机车用滑板材料的要求。
实施例5：
制备过程和工艺参数为：
(1)依次将PAN型T300炭纤维无纬布、T700炭纤维网胎和铜丝直径为50μm、网孔直径为500μm的连续铜网重叠铺层，然后在垂直于铺层方向引入炭纤维束制成炭纤维、铜网混杂预制体，其中相邻无纬布的平铺方向相互垂直，炭纤维网胎面密度为50～100g/m2，炭纤维、铜网混杂预制体的密度为0.40g/cm3；
(2)采用化学气相渗透工艺对炭纤维、铜网混杂预制体进行热解炭增密，反应气由碳源气和稀释气配制而成，碳源气为丙烯，稀释气为N2和H2混合气，稀释比为碳源气∶稀释气＝1∶3，沉积温度为850℃，渗透总时间800小时；得到密度为1.60g/cm3的铜网改性炭/炭复合材料。
采用树脂液相浸渍-炭化工艺进行补充增密，炭化温度范围为850℃，其中，树脂浸渍增密采用呋喃树脂，固化剂为磷酸，含量为8％，压力为1.5MPa，浸渍时间为3个小时，固化温度为180℃，3次浸渍-炭化后，得到密度为2.05g/cm3的铜网改性炭/炭复合材料。
该铜网改性炭/炭复合材料致密度高，基体炭间结合良好，轴向压缩强度为245Mpa、径向229Mpa，电阻率20.0μΩm，冲击强度2.22J·cm-2，由此可见，该滑板材料具有密度低、强度高且各项异性差异小、电阻率小等优点。经载流磨损试验表明，该铜网改性炭/炭复合材料材料动态磨损率为5.00mm/10000km，各项指标达到现代电力机车用滑板材料的要求。
实施例6：
制备过程和工艺参数为：
(1)依次将PAN型T300炭纤维无纬布、T700炭纤维网胎和铜丝直径为500μm、网孔直径为150μm的连续铜网重叠铺层，然后在垂直于铺层方向引入炭纤维束制成炭纤维、铜网混杂预制体，其中相邻无纬布的平铺方向相互垂直，炭纤维网胎面密度为50～100g/m2，炭纤维、铜网混杂预制体的密度为1.10g/cm3；
(2)采用化学气相渗透工艺对炭纤维、铜网混杂预制体进行热解炭增密，反应气由碳源气和稀释气配制而成，碳源气为丙烯，稀释气为N2和H2混合气，稀释比为碳源气∶稀释气＝1∶1，沉积温度为850℃，渗透总时间600小时；得到密度为1.60g/cm3的铜网改性炭/炭复合材料。
采用树脂液相浸渍-炭化工艺进行补充增密，炭化温度范围为850℃，其中，树脂浸渍增密采用呋喃树脂，固化剂为磷酸，含量为8％，压力为1.5MPa，浸渍时间为5个小时，固化温度为180℃，4次浸渍-炭化后得到密度为2.50g/cm3的铜网改性炭/炭复合材料。
该铜网改性炭/炭复合材料致密度高，基体炭间结合良好，轴向压缩强度为255Mpa、径向218Mpa，电阻率8.0μΩm，冲击强度2.58J·cm-2，由此可见，该滑板材料具有密度低、强度高且各项异性差异小、电阻率小等优点。经载流磨损试验表明，该铜网改性炭/炭复合材料材料动态磨损率为5.90mm/10000km，各项指标达到现代电力机车用滑板材料的要求。
实施例7：
制备过程和工艺参数为：
(1)依次将PAN型T300炭纤维无纬布、T700炭纤维网胎和铜丝直径为100μm、网孔直径为200μm的连续铜网重叠铺层，然后在垂直于铺层方向引入炭纤维束制成炭纤维、铜网混杂预制体，其中相邻无纬布的平铺方向相互垂直，炭纤维网胎面密度为50～100g/m2，炭纤维、铜网混杂预制体的密度为0.85g/cm3；
(2)采用化学气相渗透工艺对炭纤维、铜网混杂预制体进行热解炭增密，反应气由碳源气和稀释气配制而成，碳源气为丙烯，稀释气为N2和H2混合气，稀释比为碳源气∶稀释气＝1∶1，沉积温度为850℃，渗透总时间500小时；得到密度为1.30g/cm3的铜网改性炭/炭复合材料。
采用沥青液相浸渍-炭化工艺进行增密，炭化温度范围为850℃，沥青为煤沥青，压力为1.5MPa，浸渍时间为3个小时，浸渍温度220℃。4次浸渍-炭化后，得到密度为2.05g/cm3的铜网改性炭/炭复合材料。
该铜网改性炭/炭复合材料致密度高，基体炭间结合良好，轴向压缩强度为222Mpa、径向198Mpa，电阻率12.0μΩm，冲击强度1.81J·cm-2，由此可见，该滑板材料具有密度低、强度高且各项异性差异小、电阻率小等优点。经载流磨损试验表明，该铜网改性炭/炭复合材料材料动态磨损率为4.95mm/10000km，各项指标达到现代电力机车用滑板材料的要求。
Claims (8)
1.一种受电弓滑板用铜网改性炭/炭复合材料的制造方法，其特征是，包括：
(1)炭纤维、铜网混杂预制体制备：
依次将炭纤维无纬布、炭纤维网胎和铜丝直径为50～500μm、网孔直径为150～500μm的连续铜网重叠铺层至少两次，然后在垂直于铺层方向引入炭纤维束制成炭纤维、铜网混杂预制体，其中相邻无纬布的平铺方向相互垂直，炭纤维网胎面密度为50～100g/m2，炭纤维、铜网混杂预制体的密度为0.4～1.10g/cm3；
(2)预制体炭增密：采用炭/炭复合材料的增密工艺，使得材料密度达到1.60～2.50g/cm3。
2.根据权利要求1所述的一种受电弓滑板用铜网改性炭/炭复合材料的制造方法，其特征是，所述炭纤维为聚丙烯腈炭纤维。
3.根据权利要求1所述的一种受电弓滑板用铜网改性炭/炭复合材料的制造方法，其特征是，所述引入炭纤维束采用针刺方法，布针密度为每平方厘米16～30针。
4.根据权利要求1所述的一种受电弓滑板用铜网改性炭/炭复合材料的制造方法，其特征是，所述预制体炭增密过程包括：
a、采用化学气相渗透(CVI)工艺对炭纤维、铜网混杂预制体进行热解炭增密，反应气由碳源气和稀释气配制而成，碳源气为丙烯、甲烷或丙烯和甲烷的混合气体，稀释气为N2、H2或者为N2和H2的混合气体，稀释比为碳源气∶稀释气＝1∶6～1∶1，沉积温度为800～1000℃，渗透总时间100-1000小时；
b、采用树脂液相浸渍-炭化工艺进行增密，炭化温度范围为800～1000℃，其中，树脂浸渍增密采用呋喃树脂，固化剂为磷酸，质量含量为4-12％，压力为1.0-2.0MPa，每次浸渍时间为1-5个小时，固化温度为160-200℃。
5.根据权利要求4所述的一种受电弓滑板用铜网改性炭/炭复合材料的制造方法，其特征是，所述b步骤采用沥青液相浸渍-炭化工艺进行增密，炭化温度范围为800～1000℃，沥青为煤沥青，压力为1.0-2.0MPa，每次浸渍时间为1-5个小时，浸渍温度180-250℃。
6.根据权利要求1所述的一种受电弓滑板用铜网改性炭/炭复合材料的制造方法，其特征是，所述预制体炭增密过程采用化学气相渗透(CVI)工艺对炭纤维、铜网混杂预制体进行热解炭增密，反应气由碳源气和稀释气配制而成，碳源气为丙烯、甲烷或丙烯和甲烷的混合气体，稀释气为N2、H2或者为N2和H2的混合气体，稀释比为碳源气∶稀释气＝1∶6～1∶1，沉积温度为800～1000℃，渗透总时间100-1000小时。
7.根据权利要求1所述的一种受电弓滑板用铜网改性炭/炭复合材料的制造 方法，其特征是，所述预制体炭增密过程采用树脂液相浸渍-炭化工艺进行增密，炭化温度范围为800～1000℃，其中，树脂浸渍增密采用呋喃树脂，固化剂为磷酸，质量含量为4-12％，压力为1.0-2.0MPa，每次浸渍时间为1-5个小时，固化温度为160-200℃。
8.根据权利要求1所述的一种受电弓滑板用铜网改性炭/炭复合材料的制造方法，其特征是，所述预制体炭增密过程采用沥青液相浸渍-炭化工艺进行增密，炭化温度范围为800～1000℃，沥青为煤沥青，压力为1.0-2.0MPa，每次浸渍时间为1-5个小时，浸渍温度180-250℃。
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