CN105150857B - 一种受电弓滑板用C/C‑Cu复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种受电弓滑板用C/C‑Cu复合材料及制备方法，所述C/C‑Cu复合材料是将预浸炭布与铜网逐层依次叠置成型后，在树脂中进行多道次浸渍、固化至密度为1.80‑2.5g/cm3；其制备方法是：将预浸炭布、铜网逐层依次叠置并预固化后，压制成型后，在氮气保护下分三段加热至炭化温度，得到炭化坯；炭化坯在树脂中浸渍后固化处理，得固化坯；重复炭化、浸渍与固化过程，直至固化坯密度在1.80‑2.5g/cm3。本发明制备工艺简单、操作方便，成型效果好；炭纤维体积含量和铜网含量易于控制，金属铜在基体中网状均匀分布，电阻率低。具有炭基和树脂基复合材料固有的密度低、自润滑以及磨损率低、力学性能优异等优点。适于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于电力机车用受电弓滑板材料制备技术领域，具体涉及一种C/C-Cu复合材料及制备方法。
背景技术
受电弓滑板是电力机车供电部分的重要部件，是一种要求兼具高强度、高韧性、高导电导热、低电阻、耐磨以及自润滑性能于一体的滑动电接触材料，其受流性能是确保机车提速和重载牵引的关键。
受电弓滑板的核心制备技术一直由发达国家掌握，如德国、法国、日本等。我国针对受电弓滑板的研究起步较晚，直到20世纪五十年代才初见端倪。受电弓滑板经历数十年的发展，为了满足电力机车速度逐渐提高的需求，由最初的纯金属滑板、粉末冶金滑板逐步发展到纯炭滑板、浸金属炭滑板以及尚处于探索研究的钛硅碳(Ti3SiC2)陶瓷滑板和炭纤维复合材料滑板。
金属滑板主要采用金属或者金属合金材料制备，分钢滑板和铜滑板。金属滑板具有制备工艺简单、机械强度高、电阻率低等优点，但由于滑板材料与导线都是金属材料，材质相近，又无自润滑性能，导致粘着磨损严重，导线磨损非常大，需频繁更换接触网导线。由于接触网线的铺设不仅周期长、成本高，而且还影响铁路的正常运营。因此，国家铁路部门在选用受电弓滑板时，优先保护接触网导线，然后才是受电弓的耐磨性能。所以，纯金属滑板已经被淘汰了。粉末冶金滑板是将金属粉和润滑组分通过均匀混合，经压制成型，高温烧结而成。粉末冶金滑板具有机械强度高、电阻率低、导热性能好，以及具有一定的自润滑性等优点。粉末冶金滑板材料同样跟接触网材料相近，故粘着磨损严重，同时抗电弧能力弱，尤其是离线或接触线的瞬间易出现电弧，从而对滑板和接触网线造成严重烧蚀。
纯炭滑板自润滑性能良好，对导线磨损率低，大大延长了接触网线的使用寿命，是目前应用较多的一种受电弓滑板。但这种滑板固有电阻大、集电容量小，导致接触区温度高，尤其是在机车进站慢行及候车时，局部温度急剧升高。同时，纯炭滑板机械强度低，冲击性能差，运行过程中容易出现断裂和掉块等现象，特别是在雨季和潮湿地区，易局部破坏导致弓网事故。
浸金属炭滑板的制备是在高温高压下向碳基体中浸渍熔融金属，目的是提高炭滑板机械强度、导电导热率等性能。浸金属滑板具有炭滑板和金属滑板的优点，既有粉末冶金滑板机械强度高的特点，又有纯炭滑板对导线磨损率低、灭弧性能强的优点。但因金属的浸渍存在不均匀性，金属在碳基体中很难形成三维网络结构，故其导电导热性能、抗冲击能力仍然较差，相对强度较低，运行过程中容易出现掉块现象，容易导致弓网事故。
钛硅碳(Ti3SiC2)陶瓷滑板由于Ti3SiC2晶体结构中Ti-Si键能较低，容易断裂，使得Ti和Si原子层面容易发生滑移，表现出类似石墨晶体层间滑移自润滑特性。钛硅碳(Ti3SiC2)陶瓷滑板既有类似于金属优良的导电、导热和容易加工的特性，又有类陶瓷材料高强度、耐高温、抗氧化等优点。但目前制备Ti3SiC2块体材料的工艺，如自蔓延高温合成法、化学气相合成法以及热等静压法，存在纯度低、成本高以及构件尺寸较小等问题，实际应用不多。
炭纤维复合材料滑板根据基体的不同，可以分为炭纤维增强树脂基材料滑板和炭纤维增强碳基复合材料滑板。通常所说的炭纤维增强树脂基材料滑板和炭纤维增强碳基复合材料滑板，均添加了铜粉、钛粉、铝粉或者它们之间的混合粉末对其导电导热性能进行改性。这类滑板与浸金属滑板相比，具有密度低、力学性能优异、不易断裂掉块，以及具有自润滑，对接触网线磨损小等优点。由于炭纤维与金属粉末比重差异较大，难以混合均匀，所制备的材料其金属粉末依然难以形成连续的网络结构，故对材料导电导热性能的改善作用也是有限的。因此，现有炭纤维复合材料滑板还是存在导电性能较差，磨损过程中局部磨损不均匀等因素，导致其不能在电力机车上广泛应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有受电弓滑板材料存在的问题而提供一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料及制备方法。
本发明一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料，所述C/C-Cu复合材料包括预浸炭布、铜网，将所述预浸炭布与铜网逐层依次叠置成型后，在树脂中进行多道次浸渍、固化至密度为1.80-2.5g/cm3。
本发明一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料，所述C/C-Cu复合材料中，每一层铜网由一片铜网组成，每一层预浸炭布由1-4片预浸炭布组成。
本发明一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料，所述C/C-Cu复合材料中，铜网中铜丝的之间为0.038-2mm；预浸炭布为长炭纤维炭布，长炭纤维的长度为200-2000mm。
本发明一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料，所述C/C-Cu复合材料中，铜占C/C-Cu复合材料的质量百分比为10-30％，炭纤维占C/C-Cu复合材料的体积百分比为10-40％。
本发明一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料的制备方法，包括下述步骤：
第一步：初坯成型
将预浸炭布、铜网逐层依次叠置并预固化后，压制成型，释放内应力，得到初坯；
第二步：初坯炭化及致密化
将第一步得到的初坯在氮气保护下分三段加热至炭化温度，进行炭化，得到炭化坯；具体升温工艺为：室温-180℃，升温速率60-90℃/h，180-600℃，升温速率5-15℃/h，600-850℃升温速率10-20℃/h，炭化温度845-855℃保温1-3h，
将炭化坯在第一树脂中浸渍后，进行固化处理，得到固化坯；
重复炭化、浸渍与固化过程，直至固化坯密度在1.80-2.5g/cm3。
本发明一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料的制备方法，预浸炭布是将6k十字交炭纤维布在第二树脂溶液中浸渍后得到；第二树脂选自纯酚醛树脂、改性酚醛树脂中的一种，第二树脂溶液中含第二树脂的质量百分含量为45％-75％；所述改性酚醛树脂具体是指腰果壳油改性酚醛树脂、聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂、聚酰胺改性酚醛树脂、环氧改性酚醛树脂、有机硅改性酚醛树脂、硼改性酚醛树脂、二甲苯改性酚醛树脂中的一种。
本发明一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料的制备方法，预浸炭布、铜网逐层依次叠置时，同一层铜网由一片铜网组成，同一层预浸炭布由1-4片预浸炭布组成。
本发明一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料的制备方法，预固化温度为90-110℃，时间为1-3h。
本发明一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料的制备方法，压制成型工艺参数为：压制压力5-60Mpa，压制温度为150-190℃，压制时间20-40min，压制在平板硫化机上进行。
本发明一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料的制备方法，第一步中，释放内应力，是将预固化后压制成型的坯件在180-220℃，保温1-3小时。
本发明一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料的制备方法，第一树脂选自呋喃树脂，具体选自糠醇树脂、糠醛树脂、糠酮树脂、糠酮—甲醛树脂中的一种。
本发明一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料的制备方法，固化处理工艺参数为：一段升温：室温-120℃，升温速率18-25℃/h；二段升温：120-190℃升温速率0.5-2℃/h，固化温度185-195℃保温1-3h。
本发明一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料的制备方法，制备得到的C/C-Cu复合材料中，铜的质量百分含量为10-30％，炭纤维的体积百分含量为10-40％。
本发明采用长炭纤维预浸料和铜网作为基本原材料，制备出的C/C-Cu复合材料滑板，既能发挥长炭纤维优异力学性能和自润滑效果，又能在基体中形成连续铜网；这种滑板具有低密度、高导电率、优异的力学性能，很好的解决了现有技术中粉末冶金滑板、浸金属滑板、纯炭滑板以及C/C滑板存在的密度高、力学性能差、电阻率高等缺陷，是一种极富前景的受电弓滑板材料。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：采用预浸炭布为原材料，受电弓滑板预制体的制备方便，成型效果非常好；受电弓滑板的炭纤维体积含量和铜网质量百分含量可以通过改变预浸炭布和铜网的叠层方式控制，控制方法简单。制得的受电弓滑板其金属铜在基体中实现了网状的均匀分布，大大降低了电阻率。同时，由于采用炭纤维和铜网的复合结构，具有炭基和树脂基复合材料固有的密度低、自润滑以及磨损率低等优点；制备的受电弓滑板材料具有优异的力学性能。
本发明制备工艺简单、操作方便，成型效果好；炭纤维体积含量和铜网含量易于控制，金属铜在基体中网状均匀分布，电阻率低。具有炭基和树脂基复合材料固有的密度低、自润滑以及磨损率低、力学性能优异等优点。适于工业化生产。
附图说明
附图1为本发明受电弓滑板用C/C-Cu复合材料的制备流程图；
附图2a为本发明受电弓滑板用C/C-Cu复合材料预制体的单层预浸炭布叠层方式示意图；
附图2b为本发明受电弓滑板用C/C-Cu复合材料预制体的多层预浸炭布叠层方式示意图；
附图3为本发明实例1制备的受电弓滑板用C/C-Cu复合材料样品。
附图1给出了本发明受电弓滑板用C/C-Cu复合材料的制备流程图，为了便于说明，仅出示了与本发明有关的部分。
附图2给出了C/C-Cu复合材料预制体的制备方法，采用一层预浸炭布一层铜网、两层预浸炭布一层铜网和多层预浸炭布一层铜网的叠层方式。通过不同叠层方式可以很方便的调节预制体中炭纤维的体积百分含量和铜网的质量百分含量。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步阐述，实施例是在本发明技术条件下进行的，应理解为这些方式仅仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明的目的是提供一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料，该受电弓滑板用复合材料采用预浸炭布和铜网为基本原材料，预浸炭布的树脂质量百分含量在45-75％范围，铜网为直径0.1mm的紫铜。
预浸炭布所用的第一树脂为纯酚醛树脂。
根据标准编号为：“TJ/CL328-2014”的“动车组碳滑板暂行技术条件”规定的动车组碳滑板性能参数作为判断本发明制备的受电弓滑板用C/C-Cu复合材料是否满足要求的依据。
表1为TJ/CL328-2014”的规定的“动车组碳滑板性能指标。
表1
5·5性能
碳滑板的性能要求见表1。
表1碳滑板性能
实施例1
用纯酚醛树脂质量百分含量为45％的预浸炭布，按一层预浸炭布一层铜网的方式进行叠层。将叠层好的样品置于100℃烘箱内预固化2h，用平板硫化机在50MPa压力下进行压制成型，压制温度为170℃，压制时间为30min。取出压制样品置于200℃烘箱内释放应力2h。将压制样品置于炭化炉内按一定的升温制度进行炭化，总炭化时间为65h。将炭化后样品置于浸渍釜中浸渍树脂，浸渍温度为60-65℃，浸渍时间为2h。样品浸渍完后按一定的升温制度进行固化，总固化时间为15h。固化完后重复上述炭化步骤，这样重复多次浸渍-炭化过程，直到密度达到2.5g/cm3为止。计算得样品的纤维体积百分含量为31.8％，铜网的质量百分含量为32.1％。
在美国Instron3369材料力学试验机上采用三点弯曲法测试该材料的弯曲强度和压缩强度，测得其抗弯强度为161.75MPa，压缩强度为226.32MPa；在万能试验机上测试该复合材料的冲击韧性，测得其冲击功为1.96J/cm2；20℃电阻率为2.15μΩ·m。
实施例2
用纯酚醛树脂质量百分含量为55％的预浸炭布，按一层预浸炭布一层铜网的方式进行叠层。将叠层好的样品置于100℃烘箱内预固化2h，用平板硫化机在50MPa压力下进行压制成型，压制温度为170℃，压制时间为30min。取出压制样品置于200℃烘箱内释放应力2h。将压制样品置于炭化炉内按一定的升温制度进行炭化，总炭化时间为65h。将炭化后样品置于浸渍釜中浸渍树脂，浸渍温度为60-65℃，浸渍时间为2h。样品浸渍完后按一定的升温制度进行固化，总固化时间为15h。固化完后重复上述炭化步骤，这样重复多次浸渍-炭化过程，直到密度达到2.2g/cm3为止。计算得样品的纤维体积百分含量为24.2％，铜网的质量百分含量为28.3％。
在美国Instron3369材料力学试验机上采用三点弯曲法测试该材料的弯曲强度和压缩强度，测得其抗弯强度为144.6MPa，压缩强度为200.23MPa；在万能试验机上测试该复合材料的冲击韧性，测得其冲击功为1.67J/cm2；20℃电阻率为3.51μΩ·m。
实施例3
用纯酚醛树脂质量百分含量为55％的预浸炭布，按两层预浸炭布一层铜网的方式进行叠层。将叠层好的样品置于100℃烘箱内预固化2h，用平板硫化机在10MPa压力下进行压制成型，压制温度为170℃，压制时间为30min。取出压制样品置于200℃烘箱内释放应力2h。将压制样品置于炭化炉内按一定的升温制度进行炭化，总炭化时间为65h。将炭化后样品置于浸渍釜中浸渍树脂，浸渍温度为60-65℃，浸渍时间为2h。样品浸渍完后按一定的升温制度进行固化，总固化时间为15h。固化完后重复上述炭化步骤，这样重复多次浸渍-炭化过程，直到密度达到2.0g/cm3为止。计算得样品的纤维体积百分含量为25.9％，铜网的质量百分含量为14.4％。
在美国Instron3369材料力学试验机上采用三点弯曲法测试该材料的弯曲强度和压缩强度，测得其抗弯强度为113.04MPa，压缩强度为188.51MPa；在万能试验机上测试该复合材料的冲击韧性，测得其冲击功为1.32J/cm2；20℃电阻率为6.53μΩ·m。
根据实施例1-3所得到的性能参数，可以看出：
本发明制备的C-C/Cu复合材料强度高、抗冲击、电阻率低，以及良好的自润滑性，与接触导线匹配良好，提高了受电弓滑板材料使用寿命，减少更换率。
Claims (8)
1.一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料，所述C/C-Cu复合材料包括预浸炭布、铜网，将所述预浸炭布与铜网逐层依次叠置成型后，在树脂中进行多道次浸渍、固化至密度为1.80-2.5g/cm3；其制备方法，包括下述步骤：
第一步：初坯成型
将预浸炭布、铜网逐层依次叠置并预固化后，压制成型，释放内应力，得到初坯；
第二步：初坯炭化及致密化
将第一步得到的初坯在氮气保护下分三段加热至炭化温度，进行炭化，得到炭化坯；具体升温工艺为：室温-180℃，升温速率60-90℃/h，180-600℃，升温速率5-15℃/h，600-850℃，升温速率10-20℃/h，炭化温度845-855℃保温1-3h，
将炭化坯在第一树脂中浸渍后，进行固化处理，得到固化坯；
重复炭化、浸渍与固化过程，直至固化坯密度在1.80-2.5g/cm3。
2.根据权利要求1所述的一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料，其特征在于：所述C/C-Cu复合材料中，每一层铜网由一片铜网组成，每一层预浸炭布由1-4片预浸炭布组成。
3.根据权利要求1所述的一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料，其特征在于：所述C/C-Cu复合材料中，铜网中铜丝的之间为0.038-2mm；预浸炭布为长炭纤维炭布，长炭纤维的长度为200-2000mm。
4.根据权利要求1所述的一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料，其特征在于：第一步中，预浸炭布是将6k十字交炭纤维布在第二树脂溶液中浸渍后得到；第二树脂选自纯酚醛树脂、改性酚醛树脂中的一种，第二树脂溶液中含第二树脂的质量百分含量为45%-75%。
5.根据权利要求1所述的一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料，其特征在于：第一步中，预浸炭布、铜网逐层依次叠置时，同一层铜网由一片铜网组成，同一层预浸炭布由1-4片预浸炭布组成；
预固化温度为90-110℃，时间为1-3h；
压制成型工艺参数为：压制压力5-60Mpa，压制温度为150-190℃，压制时间20-40min，压制在平板硫化机上进行；
释放内应力，是将预固化后压制成型的坯件在180-220℃，保温1-3小时。
6.根据权利要求1所述的一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料，其特征在于：第一树脂选自呋喃树脂。
7.根据权利要求1所述的一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料，其特征在于：固化处理工艺参数为：一段升温：室温-120℃，升温速率18-25℃/h；二段升温：120-190℃升温速率0.5-2℃/h，固化温度185-195℃保温1-3h。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料，其特征在于：制备得到的C/C-Cu复合材料中，铜的质量百分含量为10-30%，炭纤维的体积百分含量为10-40%。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |