CN105730246B - 一种低粘结电阻的c/c复合材料滑板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板及其制备方法，属于电力机车用材料技术领域。本发明所设计的滑板包括C/C复合材料层2、第一金属网层4、金属托架5；所述C/C复合材料层2由上层结构1和下层结构3组成；所述下层结构3内均匀镶嵌有金属网6；所述第一金属网层4位于C/C复合材料层2的下层结构3与金属托架5之间，并与C/C复合材料层2、金属托架5构成一个整体。本发明制备工艺简单，所得成品性能优良，便于大规模的工业化应用和生产。

Description

一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板及其制备方法，属于电力机车用材料技术领域。
背景技术
电力牵引的高速列车是通过受电弓上的碳滑板与接触网导线摩擦接触，将电网上的电流传输给机车电力系统，从而提供给高速列车动力，维持机车正常运行的。
碳滑板是由碳滑条和铝托架通过导电胶粘结起来。导电胶所在的粘结层具有电阻，称之为粘结电阻。粘结电阻的大小直接影响粘结处的温度。具体来说，当大电流通过碳滑板时，粘结电阻大，粘结层处的温度高。温度升高，易引起导电胶的老化，严重时，会引起导电胶失效或开裂，威胁行车安全。
目前，大多数碳滑板生产采用导电胶直接将碳滑条与铝托架粘结起来。这样做引起粘结电阻增大。此外，因导电胶由金属粉末和胶配置而成，两者密度差异大，金属粉末不能均匀分散在胶中，导致粘结时粘结电阻波动范围大。
发明内容
本发明针对已有C/C复合材料滑板存在粘结电阻大，且波动范围大等不足，提供一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板及其制备方法。
本发明一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板；包括C/C复合材料层(2)、第一金属网层(4)、金属托架(5)；所述C/C复合材料层(2)由上层结构(1)和下层结构(3)组成；所述下层结构(3)内均匀镶嵌有金属网(6)；所述第一金属网层(4)位于C/C复合材料层(2)的下层结构(3)与金属托架(5)之间，并与C/C复合材料层(2)、金属托架(5)构成一个整体。
本发明一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板；所述C/C复合材料层(2)中金属网(6)所占的质量百分数为5-30％。优选为10-30％、进一步优选为15-25％。
本发明一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板；所述金属网(6)为选自铜网、银网中的一种，优选为铜网。
本发明一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板；所述第一金属网层(4)选自铝网、铜网、银网中的一种，优选为铜网。所述第一金属网层(4)的网孔尺寸为0.1-1mm。所述第一金属网层(4)的厚度为0.2-0.6mm。
本发明一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板；所述金属托架(5)为铝托架。
本发明一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板的制备方法，包括下述步骤：
步骤一C/C复合材料层的制备
设计下层结构(3)，所述下层结构由0°无纬炭布，碳纤维网胎、金属网、90°无纬炭布、碳纤维网胎、金属网、0°无纬炭布依次循环叠加；
设计上层结构(1)，所述上层结构由单层0°无纬炭布，碳纤维网胎、90°无纬炭布、碳纤维网胎、0°无纬炭布依次循环叠加；
采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入金属丝或碳纤维，将上下两层编织成一个整体，得到碳纤维预制体；然后对碳纤维预制体进行化学气相沉积热解碳和树脂浸渍-炭化处理，得到致密的C/C复合材料；所述C/C复合材料中金属网和金属丝的质量之和占C/C复合材料质量的5-30％；；
步骤二
将金属托架(5)、第一金属网层(4)、C/C复合材料按C/C复合材料下层结构/第一金属网层(4)/金属托架(5)的方式用导电胶进行胶粘后，加热固化，得到低粘结电阻的C/C复合材料滑板。
本发明一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板的制备方法；步骤一中所述碳纤维预制体的平均密度为0.4-0.8g/cm3。
本发明一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板的制备方法；步骤一中碳纤维预制体经化学气相沉积热解碳和树脂浸渍-炭化处理，得到平均密度为1.8-2.3g/cm3的C/C复合材料。所述C/C复合材料作为本发明中的C/C复合材料层使用。
本发明一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板的制备方法；步骤二中，粘接前，金属托架(5)预与第一金属网层(4)的接触面的粗糙度为Ra12.5-Ra50。在实际操作过程中，通过喷砂实现对其粗糙度的控制。
本发明一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板的制备方法；步骤二中，先在金属托架(5)与第一金属网层(4)的接触面上刷涂导电胶，然后放置第一金属网层(4)，再次刷涂导电胶，至第一金属网层的网格中填满导电胶，得到带有导电胶和第一金属网层的金属托架；接着将C/C复合材料与第一金属网层(4)的接触面上均匀涂上导电胶，得到带有导电胶的C/C复合材料，将带有导电胶和第一金属网层的金属托架、带有导电胶的C/C复合材料按照C/C复合材料下层结构/第一金属网层(4)/金属托架(5)的方式对接后，施加压力，升温固化导电胶，得到低粘结电阻的C/C复合材料滑板。
本发明一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板的制备方法；步骤一中所述金属网选自铜网、银网中的一种，优选为铜网。
本发明一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板的制备方法；步骤一中所述金属线选自铜线、银线中的一种，优选为铜线。
本发明一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板的制备方法；步骤一中，所述化学气相沉积热解碳是：
采用丙烯为碳源气体，氮气为稀释气，丙烯与氮气的体积比为1-1.5:3-4；于830-880℃，采用化学气相渗透法对预制体进行沉积热解碳处理200-500小时。
本发明一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板的制备方法；步骤一中，所述树脂浸渍-炭化处理是：将沉积有热解碳的预制体置于浸渍罐中，以呋喃树脂为浸渍剂，控制浸渍温度为50-70℃、优选为55-65℃，浸渍压力为1-3MPa、优选为1.5-2.5MPa、进一步优选为2MPa，保压1-3小时、优选为1.5-2小时后，取出，升温至200-220℃，保温2-4小时进行固化；固化后，在炭化炉进行炭化处理，炭化温度为850℃、气氛为氮气或氩气。在工业化应用时，可重复树脂浸渍-炭化处理直至达到设定密度。
原理和优势
(1)C/C复合材料可设计性强，在不增加粘结工序的情况下，通过预制体结构设计，实现了降低粘结电阻的目的。
(2)将C/C复合材料的粘结层设计为含有金属网(如铜网)的结构，利用金属网本身电阻小，且网格分布均匀的特点，保证粘结电阻小，且粘结电阻波动范围小。
(3)通过双层结构的优化设计，C/C复合材料滑板的粘结电阻小，进而接通大电流时，温度升高小，导电胶不易老化，产品更加安全可靠。虽然本发明也采用导电胶，但与导电胶接触的为金属网(并非碳)，进而大大减少了粘结电阻。
总之，本发明在结构和制备工艺的协同作用下，得到粘结电阻稳定且数值低的C/C复合材料滑板。
附图说明
图1为本发明所设计C/C复合材料滑板的结构示意图；
图2为实施例1-4以及对比例所得样品的粘接电阻测试值。
图1中，2为C/C复合材料层、1为C/C复合材料层的上层结构、3为C/C复合材料层的下层结构、4为第一金属网层、5为金属托架、6为金属网；从图1可以看出本发明所设计的滑板包括C/C复合材料层2、第一金属网层4、金属托架5；所述C/C复合材料层2由上层结构1和下层结构3组成；所述下层结构3内均匀镶嵌有金属网6；所述第一金属网层4位于C/C复合材料层2的下层结构3与金属托架5之间，并与C/C复合材料层2、金属托架5构成一个整体。
从图2可以看出各个样品的粘结电阻情况。对比例以及实施例进行了18个测试点的测试，对比例1所得测试值波动较大，实施例尤其是实施例2、实施例3测试值是很稳定，且所测值也比较小。由此可以看出本发明所设计的结构有利于稳定且降低产品的粘结电阻。
具体实施方式
对比例1：
采用密度为0.35g/cm3的2.5D碳纤维针刺整体毡为预制体，通过化学气相渗透工艺制备了密度为1.53g/cm3的C/C复合材料，经过两次树脂浸渍-炭化工艺，制备了密度为1.75g/cm3的C/C复合材料，通过粘结组装了碳滑板，其粘结电阻为0.02～0.08mΩ。
实施例1：
碳纤维预制体的下层结构铜网质量含量为50％，上层结构碳纤维预制体的密度为0.35g/cm3，经过化学气相渗透和树脂浸渍-炭化工艺制备了C/C复合材料，通过粘结组装了C/C复合材料滑板。沿着碳滑板长度方向，每隔50mm测试一次，记录粘结电阻数据，粘结电阻为0.01～0.05mΩ(粘结电阻测试方法参见TJ/CL328-2014动车组碳滑板暂行技术条件)。粘结电阻数据图见图1
本实施例中的C/C复合材料滑板主要通过以下步骤制备而来：
(1)首先，采用日本东丽公司(Toray)生产的PAN型T700(12K)碳纤维制成网胎、无纬布。对于下层结构，将0°无纬炭布，碳纤维网胎、铜网、90°无纬炭布、碳纤维网胎、铜网、0°无纬炭布依次循环叠加；对于上层结构，将0°无纬炭布，碳纤维网胎、90°无纬炭布、碳纤维网胎、0°无纬炭布依次循环叠加。采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入铜丝或碳纤维，将上下两层编织成一个整体。下层结构中铜网质量含量为50％，上层结构中碳纤维预制体的密度为0.35g/cm3。
(2)采用丙烯为碳源气体，氮气为稀释气，丙烯与氮气的体积比为1:3，采用化学气相渗透法对预制体在850℃下沉积热解碳，随后将C/C滑条放入真空-压力浸渍罐中，以呋喃树脂为浸渍剂，采用高压浸渍工艺处理。浸渍前，试样应先预热，浸渍温度为60℃，浸渍压力为2MPa，保压时间为1.5小时。取出，升温至200℃，保温约3小时进行固化。固化后转炭化炉进行炭化处理，炭化温度为850℃。循环两次使C/C复合材料致密化。所述金属网的质量占C/C复合材料总质量的5％。
(3)将C/C复合材料含有金属铜网的下层结构作为粘结面进行铣加工，对铝合金型材喷砂至其表面粗糙度为Ra20～Ra30。
(4)在铝合金型材上刷涂导电胶，放置铜网，再次刷涂导电胶，确保铜网格中填满导电胶。在C/C复合材料含有金属铜的粘结面上刷涂导电胶后，放置在铜网上，施加力后升温至120-160℃固化胶水。导电胶由环氧树脂和铜粉按现有常规导电胶的比例组成。
实施例2：
碳纤维预制体的下层结构铜网质量含量为82％，上层结构碳纤维预制体的密度为0.35g/cm3，经过化学气相渗透和树脂浸渍-炭化工艺制备了C/C复合材料，通过粘结组装了C/C复合材料滑板。沿着碳滑板长度方向，每隔50mm测试一次，记录粘结电阻数据，粘结电阻为0.004～0.008mΩ(粘结电阻测试方法参见TJ/CL328-2014动车组碳滑板暂行技术条件)。
本实施例中的C/C复合材料滑板主要通过以下步骤制备而来：
(1)首先，采用日本东丽公司(Toray)生产的PAN型T700(12K)碳纤维制成网胎、无纬布。对于下层结构，将0°无纬炭布，碳纤维网胎、铜网、90°无纬炭布、碳纤维网胎、铜网、0°无纬炭布依次循环叠加；对于上层结构，将0°无纬炭布，碳纤维网胎、90°无纬炭布、碳纤维网胎、0°无纬炭布依次循环叠加。采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入铜丝或碳纤维，将上下两层编织成一个整体。下层结构中铜网质量含量为82％，上层结构中碳纤维预制体的密度为0.35g/cm3。
(2)采用丙烯为碳源气体，氮气为稀释气，丙烯与氮气的体积比为1:3，采用化学气相渗透法对预制体在850℃下沉积热解碳，随后将C/C滑条放入真空-压力浸渍罐中，以呋喃树脂为浸渍剂，采用高压浸渍工艺处理。浸渍前，试样应先预热，浸渍温度为60℃，浸渍压力为2MPa，保压时间为1.5小时。之后，升温至200℃，保温约3小时进行固化。固化后转炭化炉进行炭化处理，炭化温度为850℃。循环两次使C/C复合材料致密化。，所述金属网的质量占C/C复合材料总质量的15％。
(3)将C/C复合材料含有金属铜网的下层结构作为粘结面进行铣加工，对铝合金型材喷砂至其表面粗糙度为Ra12.5～Ra20。
(4)在铝合金型材上刷涂导电胶，放置铜网，再次刷涂导电胶，确保铜网格中填满导电胶。在C/C复合材料含有金属铜的粘结面上刷涂导电胶后，放置在铜网上，施加力后升温至120-160℃固化胶水。导电胶由环氧树脂和铜粉按现有常规导电胶的比例组成。
实施例3：
碳纤维预制体的下层结构铜网质量含量为92％，上层结构碳纤维预制体的密度为0.35g/cm3，经过化学气相渗透和树脂浸渍-炭化工艺制备了C/C复合材料，通过粘结组装了碳滑板，通过粘结组装了C/C复合材料滑板。沿着碳滑板长度方向，每隔50mm测试一次，记录粘结电阻数据，粘结电阻为0.002～0.005mΩ(粘结电阻测试方法参见TJ/CL328-2014动车组碳滑板暂行技术条件)。
本实施例中的C/C复合材料滑板主要通过以下步骤制备而来：
(1)首先，采用日本东丽公司(Toray)生产的PAN型T700(12K)碳纤维制成网胎、无纬布。对于下层结构，将0°无纬炭布，碳纤维网胎、铜网、90°无纬炭布、碳纤维网胎、铜网、0°无纬炭布依次循环叠加；对于上层结构，将0°无纬炭布，碳纤维网胎、90°无纬炭布、碳纤维网胎、0°无纬炭布依次循环叠加。采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入铜丝或碳纤维，将上下两层编制成一个整体。下层结构中铜网质量含量为92％，上层结构中碳纤维预制体的密度为0.35g/cm3。
(2)采用丙烯为碳源气体，氮气为稀释气，丙烯与氮气的体积比为1:3，采用化学气相渗透法对预制体在850℃下沉积热解碳，随后将C/C滑条放入真空-压力浸渍罐中，以呋喃树脂为浸渍剂，采用高压浸渍工艺处理。浸渍前，试样应先预热，浸渍温度为60℃，浸渍压力为2MPa，保压时间为1.5小时。之后，升温至200℃，保温约3小时进行固化。固化后转炭化炉进行炭化处理，炭化温度为850℃。循环两次使C/C复合材料致密化。所述金属网的质量占C/C复合材料总质量的23％。
(3)将C/C复合材料含有金属铜网的下层结构作为粘结面进行铣加工，对铝合金型材喷砂至其表面粗糙度为Ra35～Ra50。
(4)在铝合金型材上刷涂导电胶，放置铜网，再次刷涂导电胶，确保铜网格中填满导电胶。在C/C复合材料含有金属铜的粘结面上刷涂导电胶后，放置在铜网上，施加力后升温至120-160℃固化胶水。导电胶由环氧树脂和铜粉按现有常规导电胶的比例组成。

Claims (8)

1.一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板，其特征在于：包括C/C复合材料层（2）、第一金属网层（4）、金属托架（5）；所述C/C复合材料层（2）由上层结构（1）和下层结构（3）组成；所述下层结构（3）内均匀镶嵌有金属网（6）；所述第一金属网层（4）位于C/C复合材料层（2）的下层结构（3）与金属托架（5）之间，并与C/C复合材料层（2）、金属托架（5）构成一个整体；
所述低粘结电阻的C/C复合材料滑板的制备方法包括下述步骤：
步骤一C/C复合材料层的制备
设计下层结构（3），所述下层结构由0°无纬炭布，碳纤维网胎、金属网、90°无纬炭布、碳纤维网胎、金属网、0°无纬炭布依次循环叠加；
设计上层结构（1），所述上层结构由单层0°无纬炭布，碳纤维网胎、90°无纬炭布、碳纤维网胎、0°无纬炭布依次循环叠加；
采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入金属丝或碳纤维，将上下两层编织成一个整体，得到碳纤维预制体；然后对碳纤维预制体进行化学气相沉积热解碳和树脂浸渍-炭化处理，得到致密的C/C复合材料；所述C/C复合材料中金属网和金属丝的质量之和占C/C复合材料质量的5-30%；
步骤二
将金属托架（5）、第一金属网层（4）、C/C复合材料按C/C复合材料下层结构/第一金属网层（4）/金属托架（5）的方式用导电胶进行胶粘后，加热，得到低粘结电阻的C/C复合材料滑板。
2.根据权利要求1所述的一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板，其特征在于：所述金属网（6）选自铜网、银网中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板，其特征在于：所述第一金属网层（4）选自铝网、铜网、银网中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板，其特征在于：所述第一金属网层（4）的网孔尺寸为0.1-1mm；所述第一金属网层（4）的厚度为0.2-0.6mm。
5.根据权利要求1所述的一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板，其特征在于：所述金属托架（5）为铝托架。
6.根据权利要求1所述的一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板，其特征在于：
步骤一中所述碳纤维预制体的平均密度为0.4-0.8g/cm3；
步骤一中碳纤维预制体经化学气相沉积热解碳和树脂浸渍-炭化处理，得到平均密度为1.8-2.3g/cm3的C/C复合材料；
步骤一中所述金属网的材质选自铜、银中的一种；
步骤二中，粘接前，金属托架（5）与第一金属网层（4）的接触面的粗糙度为Ra12.5-Ra50。
7.根据权利要求1所述的一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板，其特征在于：
步骤一中，所述化学气相沉积热解碳是：
采用丙烯为碳源气体，氮气为稀释气，丙烯与氮气的体积比为1-1.5:3-4；于830-880℃，采用化学气相渗透法对预制体进行沉积热解碳处理200-500小时；
步骤一中，所述树脂浸渍-炭化处理是：将沉积有热解碳的预制体置于浸渍罐中，以呋喃树脂为浸渍剂，控制浸渍温度为50-70℃，浸渍压力为1-3 MPa ，保压1-3小时后，取出，升温至200-220℃，保温2-4小时进行固化；固化后，在炭化炉进行炭化处理，炭化温度为850℃、气氛为氮气或氩气。
8.根据权利要求1所述的一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板，其特征在于：
步骤二中，先在金属托架（5）与第一金属网层（4）的接触面上刷涂导电胶，然后放置第一金属网层（4），再次刷涂导电胶，至第一金属网层的网格中填满导电胶，得到带有导电胶和第一金属网层的金属托架；接着再将C/C复合材料与第一金属网层（4）的接触面上均匀涂上导电胶，得到带有导电胶的C/C复合材料，将带有导电胶和第一金属网层的金属托架、带有导电胶的C/C复合材料按照C/C复合材料下层结构/第一金属网层（4）/金属托架（5）的方式对接后，施加压力，升温固化导电胶，得到低粘结电阻的C/C复合材料滑板。
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