CN1061960C - 集电用碳纤维增强碳复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种集电用碳纤维增强碳复合材料及其制备方法,以镀铜碳粉末为基体材料,采用短碳纤维作为增强剂,采用热固性树脂作为粘结剂,经湿态混合或干态混合后进行冷压和(或)热压成型,得到的复合材料可以用于电力机车受电弓滑板、无轨电车受电滑块和其他集电的使用场合。

Description

集电用碳纤维增强碳复合材料及其制备方法
本发明是一种新型的集电用碳纤维增强碳复合材料及其制备方法,可以应用于电力机车受电弓滑板、无轨电车受电滑块和其他集电的使用场合,属化学部复合材料技术领域。
目前在集电方面,使用较多的材料主要有金属材料、粉术冶金材料和碳质材料等。金属集电材料采用铜、钢、铝等制成,具有强度高、韧性好、耐磨性能好、电阻率小等优等,但其耐电弧性能差,对摩擦副材料的磨损太大。目前这类金属集电材料仅适用于强度特别高的应用场合。粉末冶金集电材料主要采用铜基粉或铁基粉为基体,并加其他金属粉和非金属粉压制烧结而成,它机械强度高、韧性好、抗冲击性强,使用中断裂、掉块、偏磨现象很少,但是它对铜摩擦副的磨损非常严重,而且在使用中易发生电弧,不但增大了机械磨损和电弧磨损,还干扰无线电信号。碳质集电材料润滑性能、减磨性能以及耐电弧性能好,重量轻、噪音小,在与摩擦副接触时在摩擦副上形成一层碱膜,大大改善了对摩擦副的磨损。同时,它具有良好的接触稳定性,对无线电及电视的干扰极小,但是碳质材料的耐磨性能差、机械强度低、易脆、易掉块和断裂,使用寿命低,同时碳质材料的固有电阻大、接触压降较高,还因生产中各种因素的波动,使碳质集电材料性能不均匀。
从检索资料来看,八十年代以来研制了一种新型集电材料:浸金属碳。这是将碳基料在高温高压下浸渍金属,一些金属渗入到碳材料的气孔中,在碳中构成细密的网状结构。这种材料的致密性好,其强度、韧性和耐磨性比基体碳好,热稳定性好,热膨胀率较低,导热率和导电率较高,对导线不熔焊,耐弧性高,接触电阻小。但是,这种材料制造工艺复杂,成本较高,对铜的磨损较大,而且抗冲击性能较差。还有一种日本专利登载的碳~金属复合材料滑动集电材料,这种复合材料以金属纤维、金属粉末、金属丝网或它们的混合物增强碳基体,采用适当的混料方式将增强剂均匀的分布于基体之中,然后进行冷压或热压,再经过高温烧结后得到复合材料。这种材料的机械性能和导电性能都比较好,但如果出现增强剂的损伤,复合材料的导电性能会严重恶化,而且由于金属在碳基体中以比较大的尺寸分布,对铜的磨损比较严重。
本发明的目的就在于针对现有技术中的缺陷,研究提出一种新型的集电复合材料,主要针对铜摩擦副,使这种复合材料能够在保持碳质材料优良的摩擦磨损性能的基础上,提高其机械性能和导电性能。
本发明的技术解决方案为:以镀铜碳材料粉末为基体,采用短碳纤维作为增强剂,采用热固性树脂作为粘结剂,采用湿态混合或干态混合的方法,将原料充分混合,然后进行冷压和(或)热压,得到所需的复合材料。
本发明所使用的镀铜碳粉末基体材料包括镀铜石墨粉和镀铜焦炭粉,镀铜粉末的铜含量在20%~80%,可根据需要进行调整。镀铜粉末的粒度小于0.2mm。碳纤维增强剂采用长度小于5mm、直径小于等于20μm的碳纤维,其用量占总重量的1~25%;粘结剂使用热固性树脂,如酚醛树脂,其用量占总重量的3~25%。
原料的混合根据粘结剂加入状态的不同可分为湿态混合和干态混合。混合过程必须保证各个原料组分之间均匀混合。
复合材料的成型使用冷压和(或)热压工艺。采用冷压还是采用热压,或者采用冷压加热压,可以根据实际需要而定。冷压压力大于等于150 MPa,时间大于等于30秒。冷压成型后可根据材料的使用要求确定是否浸渍树脂,浸渍树脂可提高复合材料的致密度和机械性能,浸渍树脂的压力大于等于0.3 MPa,时间大于等于1小时。热压压力不小于100 MPa,温度50~300℃,保持压力时间大于等于60秒。热压以后可根据需要对材料进行浸渍树脂处理和烧结处理。烧结处理温度50~300℃,时间大于等于5小时。
下面通过几个实施例来进一步说明本发明的技术内容。
实施例1:使用10%碳纤维,5%酚醛树脂和固化剂,其余为镀铜碳质粉末(含30%铜),采用干态混料方式,在350 MPa的压力下冷压5分钟,然后在170℃的温度下烧结30小时。得到的复合材料的电阻率为5.7μΩm,肖氏硬度48,抗压强度70 MPa。这种材料可用来制造电触点等。
实施例2:使用2%碳纤维,10%酚醛树脂和固化剂,其余为镀铜碳质粉末(含80%铜),采用干态混料方式,在200 MPa的压力和170℃的温度下热压5分钟。这种复合材料的电阻率为1.75μΩm,肖氏硬度70,抗压强度85 MPa。这种材料可用来制造行车用集电滑轮、滑块等。
实施例3:使用5%碳纤维,22%酚醛树脂和固化剂,其余为镀铜碳质粉末(含55%铜),采用湿态混料方式,在245 MPa的压力和180℃的温度下热压10分钟。材料的电阻率为15μΩm,肖氏硬度107,抗压强度134 MPa。这种材料可用来制造无轨电车用集电滑块等。
实施例4:使用10%碳纤维,15%酚醛树脂和固化荆,其余为镀铜碳质粉末(含60%铜),采用湿态混料方式,首先在270 MPa的压力下冷压1.5分钟,然后在270 MPa的压力和180℃的温度下热压7分钟,最后在150℃的温度下烧结20小时。得到的复合材料电阻率为5.8μΩm,抗压强度123 MPa,夏氏冲击值为0.44J/cm2。这种材料可用来制造电力机车用受电弓滑板等。
本发明制备的复合材料具有优异的摩擦磨损性能,对铜摩擦副的磨损程度之小是碳质集电材料所不能达到的,而且与碳质集电材料相比,导电性能和机械性能有了明显提高。使用这种复合材料可以制造综合性能良好的集电零部件。

Claims (5)

1、一种集电用碳纤维增强碳复合材料,其特征在于重量百分比为:作为增强剂的短碳纤维1~25%,作为粘结剂的热固性树脂3~25%,其余为作为基体材料的铜含量为20%~80%的镀铜碳粉末。
2、一种如权利要求1所说的集电用碳纤维增强碳复合材料,其特征在于所说的镀铜碳粉末包括镀铜石墨粉和镀铜焦炭粉,镀铜粉末的粒度小于0.2mm,短碳纤维采用长度小于5mm,直径小于等于20μm的碳纤维,热固性树脂采用酚醛树脂。
3、一种集电用碳纤维增强碳复合材料的制备方法,其特征在于将1~25%的短碳纤维、3~25%的热固性树脂、其余为铜含量为20%~80%的镀铜碳粉末湿态混合或干态混合后,使用冷压和(或)热压成型,冷压压力大于等于150MPa,保持时间大于等于30秒,热压压力不小于100 MPa,温度50~300℃,保持压力时间大于等于60秒。
4、一种如权利要求3所说的集电用碳纤维增强碳复台材料的制备方法,其特征在于冷压以后再浸渍树脂,其压力大于等于0.3 MPa,时间大于等于1小时。
5、一种如权利要求3所说的集电用碳纤维增强碳复合材料的制备方法,其特征在于热压以后再进行烧结处理,其温度为50~300℃,时间大于等于5小时。
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