CN107719128B - 碳纤维复合金属材料针刺预制体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纤维复合金属材料针刺预制体及其制备方法，该预制体是由金属材料层、碳纤维平面织物、碳纤维薄毡逐层铺放形成结构单元层，金属材料为导电性能优良的金属网、金属丝及金属粉，结构单元层叠置并通过多次、多角度针刺等步骤制备形成层间含金属丝和碳纤维连接的准三维结构预制体，即碳纤维复合金属材料针刺预制体。采用本发明预制体增强的复合材料的层间性能好，质量均匀导电性好，机械性能好，复合加工性可控，是电力机车和无轨电车馈电用复合材料的理想增强材料。
Description
技术领域
本发明涉及导电耐磨损材料技术，尤其涉及一种碳纤维复合金属材料针刺预制体及其制备方法。
背景技术
电气化牵引已经成为目前最广泛的铁路牵引方式，而受电弓系统失常是造成机车故障的关键因素之一。受电弓系统是通过滑板与接触线相互接触并通过接触截面实现电流传输的装置，它由机械、电气系统组成。在实际应用中，由于自然因素和材料因素，弓网发生振动产生接触不连续的现象是不可避免的。受电弓滑板的优化改革是目前该领域技术人员研究的重要课题，是提高受电弓系统工作稳定性的有效途径。常见的滑板材料有纯碳滑板、铁基粉末冶金滑板、铜基粉末冶金滑板、浸金属碳滑板、碳纤维/石墨/铜复合滑板。纯碳滑板耐高温、耐电弧、导线磨损小、自润滑性好，与导线接触好，不易产生电火花，但易脆性折断和破碎，电阻大易引起导线过热氧化，加速导线磨耗。粉末冶金滑板机械强度高，抗冲击性好，但易产生电弧，且强度和硬度极高，对接触导线的磨损比较严重。浸金属碳滑块对导线磨耗小，耐电弧性强，同时导电性和强度相比前两者均有提高；但抗冲击力不足，易断裂、掉块，甚至因此造成刮弓故障，使用过程中需要整形，成本高。
专利CN200910046876.9将石墨粉、铜粉和酚醛树脂均匀混合成糊状胶，涂在碳纤维布上再平铺一层细铜丝网，后逐层铺层制得网状层压碳-铜复合材料的胚料，后热压固化高压浸渍酚醛树脂制得导电滑板，采用该方法制得的滑板具有了摩擦系数小、导电性好、机械强度好、磨损小的特点，但碳纤维/石墨/铜复合因层间无增强纤维，材料抗冲击力不足，易分层，在实际使用时导电滑块易分层剥离，降低了导电弓的工作稳定性和使用寿命。并且石墨粉、铜粉及树脂不易分布均匀，后期复合工艺控制难度大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳纤维复合金属材料针刺预制体及其制备方法。
实现本发明目的的技术方案为：一种碳纤维复合金属材料针刺预制体，由金属材料层、碳纤维平面织物、碳纤维薄毡逐层铺放形成结构单元层，结构单元层叠置并针刺，形成层间有金属丝和碳纤维连接的准三维结构预制体，即碳纤维复合金属材料针刺预制体。
一种制备碳纤维复合金属材料针刺预制体的方法，包括以下步骤：
步骤1，将碳纤维平面织物、碳纤维薄毡制备成型；
步骤2，裁剪碳纤维平面织物、金属材料、碳纤维薄毡；
步骤3，金属材料层、碳纤维平面织物、碳纤维薄毡依次按设定层数、角度铺层形成结构单元层；
步骤4，结构单元层叠置多次、多角度针刺成型，针刺密度为25～50针/cm2；针刺深度为15-20mm；
步骤5，重复步骤3、步骤4直至达到产品厚度要求；
步骤6，裁切，得到碳纤维复合金属材料针刺预制体。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明涉及的新型碳纤维复合金属材料针刺预制体，其内部结构中含有碳纤维平面织物，织造的碳纤维单向或双向织物可使碳纤维的抗拉作用得到最大的发挥，具有良好的力学性能以及耐磨和减摩性能，碳纤维薄毡具有蓬松的网状结构，与金属网、丝复合经针刺形成层间含金属丝和碳纤维连接的准三维结构，其中层间的金属丝和碳纤维提高了复合材料的层间力学性能，使复合材料的热导率和电导率都得到进一步提升；(2)采用本发明预制体增强的复合材料层间性能好、质量均匀性高，机械性能好，导电性好，复合加工性可控，是电力机车和无轨电车馈电用复合材料的理想增强材料。
附图说明
图1为本发明的预制体结构示意图。
图2(a)和图2(b)为金属网或碳纤维平面双向织物示意图，其中图2(a)为0°铺层示意图，图2(b)为旋转N°铺层示意图。
图3(a)和图3(b)为金属丝或碳纤维平面单向织物示意图，其中图3(a)为0°铺层示意图，图3(b)为旋转n°铺层示意图。
具体实施方式
结合图1，一种碳纤维复合金属材料针刺预制体，由金属材料层3、碳纤维平面织物2、碳纤维薄毡1逐层铺放形成结构单元层5，结构单元层5叠置并针刺，形成层间有金属丝和碳纤维连接的准三维结构预制体，即碳纤维复合金属材料针刺预制体。
进一步地，金属材料层3的材质为银、铜、铝、钨、镍、铁中的一种或两种以上的组合。
进一步地，金属材料层3的金属材料为网状、丝状、粉状中的一种或两种以上的组合。
进一步地，碳纤维平面织物的碳纤维方向为单向或双向。
进一步地，预制体的体积密度为：0.7-3.5g/cm3。
进一步地，金属材料的体积含量为4.0％～35.0％，碳纤维的体积含量为5.0％～25.0％。
一种碳纤维复合金属材料针刺预制体的制备方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维平面织物、碳纤维薄毡的制备成型；
(2)碳纤维平面织物、金属网、金属丝、碳纤维薄毡的裁剪；
(3)金属网、金属丝、碳纤维平面织物、碳纤维薄毡依次按设定层数、角度铺层形成结构单元层，金属粉添加在碳纤维平面织物表面；
(4)结构单元层叠置多次、多角度针刺成型，针刺密度为25～50针/cm2；针刺深度为15-20mm；
(5)重复步骤(3)、步骤(4)直至达到产品厚度要求；
(6)裁切，即得到碳纤维复合金属材料针刺预制体。
下面对制备方法进行具体说明：
(1)幅宽设计，其作用是满足产品平面尺寸的要求，在一定的裁切方案下减少边角料的损耗。根据产品平面尺寸和裁剪角度要求设计碳纤维平面织物和碳纤维薄毡的幅宽，控制距裁剪切缘的材料余量在10mm以内。
(2)碳纤维平面织物、碳纤维薄毡的制备，根据产品性能及结构要求选择对应规格的碳纤维材料制备所需面密度的碳纤维平面织物和碳纤维薄毡。
(3)裁切，将碳纤维平面织物、碳纤维薄毡、金属网按产品平面尺寸和角度进行裁切，距裁切边缘的材料余量在10mm以内；金属丝裁切为所需尺寸的长丝或短丝，金属长丝尺寸与产品平面两个方向的尺寸相同，距裁且边缘的材料余量在10mm以内，金属短丝尺寸为2-20mm。
(4)形成结构单元层，根据产品性能和金属材料与碳纤维材料的含量要求，设计金属材料与碳纤维材料的配比，将设定层数的金属网或金属丝铺放形成金属材料层，后将碳纤维平面织物铺放在金属材料层上，根据需要可将金属粉铺放在碳纤维平面织物上，最后铺放碳纤维薄毡，形成结构单元层。金属网、金属丝和碳纤维平面织物按设定角度铺放，首次铺放为碳纤维薄毡层。
图2为金属网或碳纤维平面双向织物示意图，图2(a)为0°铺层示意图，图2(b)为N°铺层示意图，N为旋转角度。
图3为金属丝或碳纤维平面单向织物示意图，图3(a)为0°铺层示意图，图3(b)为n°铺层示意图，n为旋转角度。
(5)针刺成型，结构单元层叠置多次、多角度针刺，通过针刺工艺形成Z向丝束4，Z向丝束4由金属丝和碳纤维组成，Z向丝束实现结构单元层的层间连接，针刺密度为25-50针/cm2，针刺深度为15-20mm。结构单元层复合针刺形成层间有金属丝和碳纤维连接的准三维结构，层间的金属丝和碳纤维提高了复合材料的层间力学性能，使复合材料的热导率和电导率都得到进一步提升。
(6)重复所述步骤(4)和(5)，达到产品厚度尺寸后进行步骤(7)。
(7)裁切，将预制体按平面尺寸裁切后得到碳纤维复合金属材料针刺预制体。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
采用12K碳纤维制成面密度100g/m2的碳纤维薄毡，3K碳纤维制成面密度280g/m2的平面双向织物，直径为0.1mm、目数为100目的铜丝网。碳纤维层和铜丝网层设计配比为2:4，即1层碳纤维平面织物和1层碳纤维薄毡复合4层铜丝网。依次铺放4层铜丝网层；1层碳纤维双向织物；1层碳纤维薄毡。铜丝网和碳纤维双向织物按0°/45°/90°/135°旋转角度交替铺层，形成结构单元层；对结构单元层进行针刺(除首次铺设碳纤维薄毡层)，针刺深度18mm；针刺密度25针/cm2，重复叠层结构单元层并以0°/90°方式针刺，直至达到产品设计要求。该预制体的尺寸为350mm×250mm×70mm，体积密度为1.65g/cm3，碳纤维体积含量为13.0％，铜丝网体积含量15.0％。
实施例2
采用6K碳纤维制成面密度60g/m2的碳纤维薄毡，6K碳纤维制成面密度240g/m2的平面单向织物，直径为0.14mm、目数为60目的铜丝网，粒径为50微米的铜粉。设计预制体高度0-60mm区域碳纤维层和铜丝网、铜粉层的配比为2:5:1，即1层碳纤维平面织物和1层碳纤维薄毡复合5层铜丝网和1层铜粉。依次铺放5层铜丝网层；1层碳纤维单向织物；均匀铺1层铜粉，铜粉为90g/层；1层碳纤维薄毡。铜丝网和碳纤维单向织物按0°/60°/120°旋转角度交替铺层，形成结构单元层；对结构单元层进行针刺(除首次铺设碳纤维薄毡层)，针刺深度20mm；针刺密度35针/cm2，重复叠层结构单元层并以0°/90°方式针刺，直至达到60mm。预制体高度60-120mm区域设计碳纤维层和铜丝网层的配比为2:3。即1层碳纤维平面织物和1层碳纤维薄毡复合3层铜丝网。依次铺放3层铜丝网层；1层碳纤维单向织物；1层碳纤维薄毡。铜丝网和碳纤维单向织物按0°/60°/120°旋转角度交替铺层，形成结构单元层；对结构单元层进行针刺，针刺深度20mm；针刺密度35针/cm2，重复叠层结构单元层并以0°/90°方式针刺，直至预制体高度达到120mm。该预制体的尺寸为600mm×350mm×120mm，预制体整体体积密度为1.80g/cm3，碳纤维体积含量为18％，铜丝网及铜粉体积含量16.6％。其中0-60mm区域，体积密度为2.20g/cm3，碳纤维体积含量为16.5％，铜丝网及铜粉体积含量21.3％；其中60-120mm区域，体积密度为1.40g/cm3，碳纤维体积含量为19.5％，铜丝网体积含量11.8％。
实施例3
采用24K碳纤维制成面密度140g/m2的碳纤维薄毡，12K碳纤维制成面密度160g/m2的平面单向织物，直径为0.1mm钨丝，直径0.1mm短切长度10mm的银丝。碳纤维层和钨丝、银丝层设计配比为2:4:1，即1层碳纤维平面织物和1层碳纤维薄毡复合4层钨丝、1层短银丝。依次旋转45°铺4钨丝层；1层碳纤维单向织物；均匀铺1层银丝，银丝为120g/层；1层碳纤维薄毡。钨丝和碳纤维单向织物按0°/45°/90°/135°旋转角度交替铺层，形成结构单元层；对结构单元层进行针刺(除首次铺设碳纤维薄毡层)，针刺深度15mm；针刺密度50针/cm2，重复叠层结构单元层并以0°/90°方式针刺，直至达到产品设计要求。该预制体的尺寸为1000mm×400mm×50mm，体积密度为3.5g/cm3，碳纤维体积含量为10.0％，钨丝及银丝体积含量20.0％。
实施例4
采用12K碳纤维制成面密度80g/m2的碳纤维薄毡，12K碳纤维制成面密度240g/m2的平面单向织物，直径为0.1mm、目数为100目的铜丝网。碳纤维层和铜丝网层设计配比为2:1，即1层碳纤维平面织物和1层碳纤维薄毡复合1层铜丝网。依次铺放1层铜丝网层；1层碳纤维单向织物；1层碳纤维薄毡。铜丝网和碳纤维单向织物按0°/45°/90°/135°旋转角度交替铺层，形成结构单元层；对结构单元层进行针刺(除首次铺设碳纤维薄毡层)，针刺深度16mm；针刺密度25针/cm2，重复叠层结构单元层并以0°/90°方式针刺，直至达到产品设计要求。该预制体的尺寸为1100mm×300mm×30mm，体积密度为0.71g/cm3，碳纤维体积含量为19.1％，铜丝网体积含量4.2％。
本发明所述的具体实施方式并不构成对本申请范围的限制，凡是在本发明构思的精神和原则之内，本领域的专业人员能够作出的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种碳纤维复合金属材料针刺预制体，其特征在于，由金属材料层（3）、碳纤维平面织物（2）、碳纤维薄毡（1）逐层铺放形成结构单元层（5），结构单元层（5）叠置并针刺，形成层间有金属丝和碳纤维连接的准三维结构预制体，即碳纤维复合金属材料针刺预制体；金属材料层（3）的金属材料为网状、丝状、粉状的一种或两种以上的组合；碳纤维平面织物（2）的碳纤维方向为单向或双向；金属材料的体积含量为4 .0％～35 .0％，碳纤维的体积含量为5 .0％～25 .0％；碳纤维复合金属材料针刺预制体的制备过程如下：
步骤1，将碳纤维平面织物、碳纤维薄毡制备成型；
步骤2，裁剪碳纤维平面织物、金属网、金属丝和碳纤维薄毡；
步骤3，将金属网、金属丝、碳纤维平面织物、碳纤维薄毡依次按设定层数、角度铺层形成结构单元层，在碳纤维平面织物表面添加金属粉；
步骤4，结构单元层叠置多次、多角度针刺成型，针刺密度为25～50针/cm2；针刺深度为15-20mm；
步骤5，重复步骤3、步骤4直至达到产品厚度要求；
步骤6，裁切，得到碳纤维复合金属材料针刺预制体。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合金属材料针刺预制体，其特征在于，金属材料层（3）的材质为银、铜、铝、钨、镍、铁中的一种或两种以上的组合。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合金属材料针刺预制体，其特征在于，预制体的体积密度为0 .7-3 .5g/cm3。
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