CN107161976A - 一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型铜/炭基复合材料的制备。本发明以泡沫铜作为铜源，通过化学气相沉积在泡沫铜的孔隙以及表面沉积热解碳，得到半成品；所述泡沫铜的孔隙率为60‑98％、通孔率大于98％；将所得半成品包埋于混合粉体A中，在3‑10MPa于540‑560℃进行加压浸渍，浸渍完成后，升温到800‑950℃进行碳化；得到预成品；所述混合粉体A由沥青焦、短纤维、石墨、煤油沥青按质按量比，沥青焦：短纤维：石墨：煤油沥青＝5‑25:5‑15:3‑20:50‑87组成；对半成品重复步骤二的加压浸渍和碳化处理至少2次，得到成品。本发明所的产品性能优良，制备工艺简单，便于大规模的工业化应用。

Description

一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型铜/炭基复合材料的制备，特别涉及一种高导电高导热自润滑的材料制备方法。
背景技术
近年来，为缓解日益增长的旅客数量与铁路运力不足的矛盾，提高铁路的运营效率，我国相继开通了时速达到250km/h和350km/h的高速动车组列车。高速动车组列车俨然成为了运行速度最快、效率最高的路上交通工具。受电弓/接触网系统是电力机车动力的源泉，两者通过滑动接触将电流引入机车，驱动机车运行，传输功率高达10000KW。随着铁路向高速化、电气化方向发展，受电弓滑板材料也需要改进和升级换代。
受电弓滑板是一种要求兼具高强度、高韧性、低电阻、耐磨以及自润滑特性的滑动电接触材料。现役受电弓滑板主要有粉末冶金滑板、纯炭滑板和浸金属碳滑板。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；纯炭滑板自润滑性和减磨性能好，在与铜接触导线摩擦时可在导线上持续补给润滑炭膜，具有减少导线磨损的效果。但纯炭滑板固有电阻大，集电容量小，接触区温度高，易引起导线过热氧化腐蚀；浸金属炭滑板一定程度上改善了纯碳滑板电阻率高的问题，然而该类滑板中铜金属不能很好地形成连续的三维网络结构，难以完全发挥铜合金低电阻的优势。
泡沫铜是一种在铜基体中均匀分布着大量连续空洞的新型多功能材料。泡沫铜具有连续三维网状结构，导电性和延展性好，且制备成本较低，常被用于电池基体材料的制备。
目前已经有专利提到使用树脂浸渍泡沫铜的方法制备泡沫铜/碳基复合材料，但其所开发的产品极易出现裂纹，进而使得其适用范围受到限制。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种工艺简单、致密效果好、机械强度高、无裂纹、导电性能好、具有自润滑能力、使用性能优异的受电弓滑板用铜/炭基受电弓滑板的制备方法。
本发明一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；包括下述步骤：
步骤一化学气相沉积
以泡沫铜作为铜源，通过化学气相沉积在泡沫铜的孔隙以及表面沉积热解碳，得到半成品；所述泡沫铜为具有连通网状结构的泡沫铜，所述泡沫铜的孔隙率为60-98％、通孔率大于98％；
步骤二浸渍-碳化
将步骤一所得半成品包埋于混合粉体A中，在3-10MPa于540-560℃进行加压浸渍，浸渍完成后，在800-950℃进行碳化；得到预成品；所述混合粉体A由沥青焦、短纤维、石墨、煤油沥青按质按量比，沥青焦：短纤维：石墨：煤油沥青＝5-25:5-15:3-20:50-87组成；
步骤三
重复步骤二的加压浸渍和碳化处理至少2次，得到成品。
本发明一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；所述泡沫铜中，孔隙的孔径为0.1-10mm、优选为1.5mm；所述泡沫铜的孔数为5-130PPI、优选为15PPI。作为优选方案，所述泡沫铜的厚度为5-130mm。在工业上应用时，使用质量分数为10％稀盐酸在超声波下对泡沫铜除氧化物活化，然后用蒸馏水清洗，烘干备用。
本发明一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；所述泡沫铜为具有连通网状结构的泡沫铜，其为产品具有优良的导电导热性能提供了必要条件。
本发明一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；化学气相沉积时，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，其中，按摩比计，碳源气∶稀释气＝1∶4-1：6，沉积时，控制温度为800-900℃、优选为840-860℃、进一步优选为850℃，时间为50-150小时、优选为80-120小时、进一步优选为100小时。
本发明一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；混合粉体A是通过下述方案制备的；
以50-200目的沥青焦、长度为200um-1000um的短纤维、50-500目的石墨、煤油沥青为原料；按设计组分配取各原料后，置于球磨罐中，球磨4-8小时，得到各组分混合均匀的混合粉体A。
作为优选方案，其球磨的参数为：使用行星式球磨机，转速为180-220转/分钟，球磨时间4-8小时，球料比不大于3:1，加料量不超过球墨罐容积的一半。
作为优选方案，本发明一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；所述混合粉体A由沥青焦、短纤维、石墨、煤油沥青按质按量比，沥青焦：短纤维：石墨：煤油沥青＝5-25:5-15:3-20:50-87组成。
作为进一步的优选方案之一，所述混合粉体A，以质量百分比计，包括下述组分：
沥青焦20％；
短纤维8％；
石墨15％；
煤油沥青57％。
作为进一步的优选方案之一，所述混合粉体A，以质量百分比计，包括下述组分：
沥青焦30％；
短纤维8％；
石墨8％；
煤油沥青54％。
作为进一步的优选方案之一，所述混合粉体A，以质量百分比计，包括下述组分：
沥青焦20％；
短纤维15％；
石墨8％；
煤油沥青57％。
作为进一步的优选方案，所述短纤维优选为短碳纤维。
本发明一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；步骤二中，单次高压浸渍的时间为2-10h、优选为6-8h。
本发明一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；步骤二中，单次碳化的时间为10-20h、优选为15-18min。
本发明一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；步骤二中，所述石墨优选为鳞片石墨、进一步优选为天然鳞片石墨。
本发明一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；步骤三中，重复步骤二的加压浸渍和碳化处理2-4次，得到成品。
本发明一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；所得成品的致密度为85-95％。
本发明一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；所得成品的压缩强度为80-95MPa，电阻率0.32-1.1μΩm，冲击强度1.1-1.8J·cm-2。
本发明一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；所得成品在电流50A、速度150km/h、载荷100N条件下其动态磨损率为4.0-5.1mm/10000km，平均摩擦系数为0.18-0.21。
本发明预制体选用特殊的泡沫铜，实现了金属铜在复合材料中形成互为连通状的网络结构，为在载流状态下电子的运动提供了低电阻“通道”，所引入的适量热解炭的引入既提高了耐磨性及改善了炭与铜金属的润湿性，增强泡沫铜与炭基体的结合。本发明通过设计特殊组成的浸渍体系(如混合物A)沥青焦，鳞片石墨，短切碳纤维和煤油沥青，在避免裂纹产生的同时，保证了复合材料高的强度和优良的摩擦磨损性能。
原理和优势
本发明结合了泡沫铜优良导电性和纯炭滑板低摩擦系数低的优点，是以泡沫铜为预制体，通过数次浸渍炭化煤油沥青、鳞片石墨、沥青焦和短纤维，完成材料的致密化过程，制备出高导电低润滑的铜/炭基复合材料。该复合材料具有泡沫铜的三维网状结构保证了材料优良的导电性能，沥青炭基体与纯炭滑板相同，同时制备工艺简单容易控制、制备成本低。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果体现在：
(1)原材料和生产设备常见，生产工艺简单易控。
(2)使用气相沉积法在泡沫铜基体上沉积热解炭，改善炭元素与铜金属的界面结合，碳基体与铜金属的界面结合良好，提高了材料的导电性，减少缺陷提高耐磨性。
(3)特殊组分的浸渍体系(如混合物A)的引入，使沥青的残炭率得到提高，同时最后炭化工艺中沥青体积膨胀变小，更容易实现试样的致密化；
(4)使用煤油沥青为粘结剂、在煤油沥青和其他组分的协同作用下，得到残炭率高、切内应力小的成品(相对于树脂)；所得产品在具有优良强度和韧性的同时还具有优异的润滑性能，当其与与铜导线配副摩擦，还展现出良好的摩擦性能。
附图说明
附图1为本发明所设计的铜/炭基复合材料的制备流程示意图；
附图2为实例1不同制备阶段所得材料的微观组织照片图；
附图3为实例一、实例二与实例三所得成品的摩擦曲线图；
附图4为对比例2所得成品的微观组织照片图；
附图5为对比例1所得成品的的摩擦曲线图；
附图6为对比例2所得成品的的摩擦曲线图；
附图7为对比例3所得成品的的摩擦曲线图.
从图1中可以看出本发明所设计的铜/炭基复合材料的制备流程。
图2由a、b、c、d四幅图组成，其中a表述表面活化后的泡沫铜，b表示化学气相沉积碳后的泡沫铜，c、d分别表示所制备成品中不同位置的微观组织照片图。从图2中可以看出，表面活化后的泡沫铜孔隙率高、通空率高且泡沫铜为具有连通网状结构；化学气相沉积碳后，碳均匀包覆在泡沫铜的网状结构的网丝以及节点上；得到成品后，成品致密度高，热解碳、沉积碳、泡沫铜之间无裂纹。
从图3可以看出实例一、实例二与实例三所得成品的摩擦情况。
图4由a，b两幅图组成，表示所制备泡沫铜/树脂炭基复合材料不同倍率的微观组织照片图。从图中可以看出来，铜/树脂炭复合材料的基体上和基体与泡沫铜界面处均有较为严重的裂纹出现。
从图5中可以看出对比例1所得成品的的摩擦情况。
从图6中可以看出对比例2所得成品的的摩擦情况。
从图7中可以看出对比例3所得成品的的摩擦情况。
具体实施方式
实例一
制备过程和工艺参数为：
(1)选取泡沫铜尺寸和性能：孔径1mm，孔隙率90％，铜含量大于99％，孔数为30PPI，连通率大于98％，密度0.45g/cm2，尺寸为40mm*100mm*100mm。使用质量分数为10％稀盐酸在超声波下对泡沫铜去氧化物活化，然后用蒸馏水清洗，烘干备用。
(2)采用化学气相渗透工艺对泡沫铜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℃，沉积总时间50小时；
(3)沥青焦含量为20％，沥青焦选用100目；短切碳纤维含量为8％，短纤维长度为500um；润滑组元选用天然鳞片石墨，150目，含量15％；粘结剂选用煤油沥青，含量57％。将一定比例的煤油沥青、鳞片石墨、沥青焦和短切碳纤维粉末放入球磨罐，进行三个小时的均匀混料和球磨。
(4)将处理过的泡沫铜放入高压发生釜，而后加入混好的沥青等粉末包埋泡沫铜；加热到150-200℃使沥青软化，然后加压到5MPa浸渍；最后在加压条件下，以每分钟60℃升温到550℃，保温一个小时，完成预炭化，得到半焦状预制体；固化后转炭化炉进行炭化处理，炭化温度为800-950℃；上面的浸渍炭化工艺进行三次实现材料的基本致密化。
该铜/炭基复合材料基体炭与铜金属界面结合良好，铜网分布均匀，压缩强度为80Mpa，电阻率0.5μΩm，冲击强度1.1J·cm-2，由此可见，该滑板材料具有密度低、电阻率小等优点。经载流磨损试验表明，在电流50A、速度150km/h、载荷100N条件下，该铜/炭基复合材料材料动态磨损率为5.1mm/10000km，平均摩擦系数为0.18(如图3)，各项指标达到现代电力机车用滑板材料的要求。
实例二：
制备过程和工艺参数为：
(1)选取泡沫铜尺寸和性能：孔径1mm，孔隙率90％，铜含量大于99％，孔数为20PPI，连通率大于98％，密度0.45g/cm2，尺寸为40mm*100mm*100mm。使用质量分数为10％稀盐酸在超声波下对泡沫铜去氧化物活化，然后用蒸馏水清洗，烘干备用。
(2)采用化学气相渗透工艺对泡沫铜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℃，沉积总时间50小时；
(3)沥青焦含量为30％，沥青焦选用100目；短切碳纤维含量为8％，短纤维长度为250um；润滑组元选用天然鳞片石墨，150目，含量8％；粘结剂选用煤油沥青，含量54％。将一定比例的煤油沥青、鳞片石墨、沥青焦和短切碳纤维粉末放入球磨罐，进行三个小时的均匀混料和球磨。
(4)将处理过的泡沫铜放入高压发生釜，而后加入混好的沥青等粉末包埋泡沫铜；加热到150-200℃使沥青软化，然后加压到5MPa浸渍；最后在加压条件下，以每分钟80℃升温到550℃，保温一个小时，完成预炭化，得到半焦状预制体；固化后转炭化炉进行炭化处理，炭化温度为800-950℃；上面的浸渍炭化工艺进行三次实现材料的基本致密化。
该铜/炭基复合材料基体炭与铜金属界面结合良好，铜网分布均匀，压缩强度为90Mpa，电阻率1.1μΩm，冲击强度1.8J·cm-2，由此可见，该滑板材料具有密度低、电阻率小等优点。经载流磨损试验表明，在电流50A、速度150km/h、载荷100N条件下，该铜/炭基复合材料材料动态磨损率为4.0mm/10000km，平均摩擦系数为0.18(如图3)，各项指标达到现代电力机车用滑板材料的要求。
实例三：
制备过程和工艺参数为：
(1)选取泡沫铜尺寸和性能：孔径1mm，孔隙率85％，铜含量大于99％，孔数为30PPI，连通率大于98％，密度0.51g/cm2，尺寸为40mm*100mm*100mm。使用质量分数为10％稀盐酸在超声波下对泡沫铜去氧化物活化，然后用蒸馏水清洗，烘干备用。
(2)采用化学气相渗透工艺对泡沫铜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℃，沉积总时间50小时；
(3)沥青焦含量为20％，沥青焦选用100目；短切碳纤维含量为15％，短纤维长度为250um；润滑组元选用天然鳞片石墨，150目，含量8％；粘结剂选用煤油沥青，含量57％。将一定比例的煤油沥青、鳞片石墨、沥青焦和短切碳纤维粉末放入球磨罐，进行三个小时的均匀混料和球磨。
(4)将处理过的泡沫铜放入高压发生釜，而后加入混好的沥青等粉末包埋泡沫铜；加热到150-200℃使沥青软化，然后加压到5MPa浸渍；最后在加压条件下，以每分钟60℃升温到550℃，保温一个小时，完成预炭化，得到半焦状预制体；固化后转炭化炉进行炭化处理，炭化温度为800-950℃；上面的浸渍炭化工艺进行三次实现材料的基本致密化。
该铜/炭基复合材料基体炭与铜金属界面结合良好，铜网分布均匀，压缩强度为85Mpa，电阻率0.32μΩm，冲击强度1.3J·cm-2，由此可见，该滑板材料具有密度低、电阻率小等优点。经载流磨损试验表明，在电流50A、速度150km/h、载荷100N条件下，该铜/炭基复合材料材料动态磨损率为4.3mm/10000km，平均摩擦系数为0.21(如图3)，各项指标达到现代电力机车用滑板材料的要求。
对比例1
其他的条件参数和制备方法完全和实施例1一致，不同之处在于省去了化学气相沉积热解碳的步骤，其所得产品的性能为:压缩强度为65Mpa，电阻率1.8μΩm，冲击强度0.85J·cm-2。经载流磨损试验表明，在电流50A、速度150km/h、载荷100N条件下，该铜/炭基复合材料材料动态磨损率为7.0mm/10000km，平均摩擦系数为0.22(如图5)，由此可以看出，其所得产品的性能远远差于本发明的实施例1.
对比例2
其他的条件参数和制备方法完全和实施例1一致，不同之处在于浸渍时，煤油沥青跟换成树脂(如图4)，其所得产品的性能为:压缩强度为54Mpa，电阻率2.5μΩm，冲击强度0.77J·cm-2。经载流磨损试验表明，在电流50A、速度150km/h、载荷100N条件下，该铜/炭基复合材料材料动态磨损率为8.8mm/10000km，平均摩擦系数为0.23(如图6)，由此可以看出，其所得产品的性能远远差于本发明的实施例1.
对比例3
其他的条件参数和制备方法完全和实施例1一致，不同之处在于浸渍时，沥青焦15％；短纤维35％；石墨15％；煤油沥青35％。，其所得产品的性能为:压缩强度为45Mpa，电阻率0.8μΩm，冲击强度0.56J·cm-2。经载流磨损试验表明，在电流50A、速度150km/h、载荷100N条件下，该铜/炭基复合材料材料动态磨损率为10.2mm/10000km，平均摩擦系数为0.26(如图7)；由此可以看出，其所得产品的性能远远差于本发明的实施例1。由实施例和对比例可以看出，本发明所设计的方案中，其中一个组元或几个组元不在本发明所限定的范围内时，其很难达到本发明所设计方案所能达到的效果。

Claims (10)

1.一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；其特征在于包括下述步骤：
步骤一 化学气相沉积
以泡沫铜作为铜源，通过化学气相沉积在泡沫铜的孔隙以及表面沉积热解碳，得到半成品；所述泡沫铜为具有连通网状结构的泡沫铜，所述泡沫铜的孔隙率为60-98％、通孔率大于98％；
步骤二 浸渍-碳化
将步骤一所得半成品包埋于混合粉体A中，在3-10MPa于540-560℃进行加压浸渍，浸渍完成后，在800-950℃进行碳化；得到预成品；所述混合粉体A由沥青焦、短纤维、石墨、煤油沥青按质按量比，沥青焦：短纤维：石墨：煤油沥青＝5-25:5-15:3-20:50-87组成；
步骤三
重复步骤二的加压浸渍和碳化处理至少2次，得到成品。
2.根据权利要求1所述的一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；其特征在于：所述泡沫铜中，孔隙的孔径为0.1-10mm；所述泡沫铜的孔数为5-130PPI。
3.根据权利要求1所述的一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；其特征在于：化学气相沉积时，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，其中，按摩比计，碳源气∶稀释气＝1∶4-1：6，沉积时，控制温度为800-900℃、优选为840-860℃、进一步优选为850℃，时间为50-150小时、优选为80-120小时、进一步优选为100小时。
4.根据权利要求1所述的一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；其特征在于；混合粉体A是通过下述方案制备的；
以50-200目的沥青焦、长度为200um-1000um的短纤维、50-500目的石墨、煤油沥青为原料；按设计组分配取各原料后，置于球磨罐中，球磨4-8小时，得到各组分混合均匀的混合粉体A。
5.根据权利要求1所述的一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；其特征在于；所述混合粉体A由沥青焦、短纤维、石墨、煤油沥青按质按量比，沥青焦：短纤维：石墨：煤油沥青＝5-25:5-15:3-20:50-87组成。
6.根据权利要求5所述的一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；其特征在于：所述混合粉体A，以质量百分比计，包括下述组分：
沥青焦 20％；
短纤维 8％；
石墨 15％；
煤油沥青 57％。
7.根据权利要求5所述的一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；其特征在于：所述混合粉体A，以质量百分比计，包括下述组分：
沥青焦 30％；
短纤维 8％；
石墨 8％；
煤油沥青 54％。
8.根据权利要求1所述的一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；其特征在于：所述混合粉体A，以质量百分比计，包括下述组分：
沥青焦 20％；
短纤维 15％；
石墨 8％；
煤油沥青 57％。
9.根据权利要求1所述的一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；其特征在于：所述短纤维为短碳纤维；所述沥青为煤油沥青；
所述石墨优选为鳞片石墨；
单次高压浸渍的时间为2-10h
单次碳化的时间为10-20h。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种受电弓滑板用铜/炭基复合材料的制备方法；其特征在于：
所得成品的致密度为85-95％；
所得成品的压缩强度为80-95MPa，电阻率0.32-1.1μΩm，冲击强度1.1-1.8J·cm-2；
所得成品在电流50A、速度150km/h、载荷100N条件下其动态磨损率为4.0-5.1mm/10000km，平均摩擦系数为0.18-0.21。
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