CN107839487B - 一种新型高性能可修复的电力机车受电弓滑板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型高性能可修复的电力机车受电弓滑板及其制备方法，所述受电弓滑板由单金属滑板基体和导电耐磨防腐自润滑一体化涂层构成。表面涂层由核壳结构的Cu‑TiO2复合粉体直接在单金属基体上等离子喷涂成形，按质量百分含量计，涂层成分为：Ti4O760‑70％；Cu 15‑25％；TixO2x‑110‑15％；TiO25‑10％；其中5≤x≤10。本发明的受电弓滑板以表面多功能复合涂层作为工作层，使用后可再次通过等离子喷涂复合粉体修复损伤，恢复涂层尺寸精度和服役性能。该受电弓滑板克服了传统金属滑板与导线粘着磨损寿命短，粉末冶金滑板、碳滑板成本高等问题，具有良好的经济效益和广阔的应用前景。

Description

一种新型高性能可修复的电力机车受电弓滑板及其制备方法
技术领域
本发明涉及电力机车受电弓滑板制备领域，具体涉及一种由表面导电耐磨防腐自润滑一体化涂层和单金属滑板基体构成的高性能、可修复受电弓滑板及其制备方法。
背景技术
受电弓也称集电弓，是让电气化铁路车辆从架空裸导线取得电能的设备的统称。受电弓滑板是受电弓的一个重要组成部分，它是通过导电胶或机械锁固定在弓头顶部的，直接与接触网导线接触，在电力机车运行过程中，受电弓滑板在接触网导线上滑动，并从导线上获得电流为机车提供动力，是电力机车动力来源的重要集电元件，其质量的优劣将直接影响电力机车的供电情况和电动机的正常有效工作，是决定机车能否安全运行的关键性因素。
由于受电弓滑板长期暴露在自然环境中，常处于干湿交替、沙尘雨雪、极端气温等恶劣天气下工作，是电力机车中更换最频繁、消耗量最大的部件。在高速运行过程中，滑板从接触网导线上获得电流，与接触网导线构成了一对机械与电气耦合的特殊摩擦副,其中存在着两种性质的磨损：机械磨损与电气磨损。为满足受电弓滑板的工况条件，滑板一般应满足以下性能要求：良好的导电性、耐冲击性、减摩耐磨性、高机械强度、对恶劣自然环境的适应性等。
受电弓滑板按材质主要分为金属基滑板和碳系滑板两大类，金属系滑板具有优异的导电性能，但其材质与接触网导线相近，亲和力强，易发生黏着磨损，对接触网导线和滑板磨耗严重，目前已被淘汰；粉末冶金滑板分为铁基和铜基两种，由于粉末冶金滑板的基材仍是金属，与铜镁合金接触网导线材质类似，对接触导线磨耗十分严重。碳系滑板的自润滑性能良好，对接触网导线磨损小，但是碳滑板机械强度低，易折断和破碎，且固有电阻大，会产生高温将导线氧化。现有受电弓滑板尚不能同时实现高导电性和高耐磨性，同时，磨损后的受电弓滑板无法修复，仅表面磨损就需要进行更换，损坏的滑板通常直接报废，这对资源造成巨大的浪费。
现有的受电弓滑板主要存在着以下问题：(1)粉末冶金滑板分为铜基和铁基两种，两者的机械强度和导电率都较好，但是含铜量多的受电弓滑板材料，与硬铜材质的接触网导线亲和力好，容易引起受电弓与接触网导线的粘着，对接触网导线的磨损严重；铁基的粉末冶金滑板表面硬度远高于铜导线的硬度，即使在润滑作用良好的情况下，对接触网导线的磨损也比较大。(2)浸金属碳滑板的机械强度较低，冲击韧性相对较差，在电力机车高速运行过程中遇到导线硬质点易破碎，严重时滑板会发生折断，碳系滑板的使用寿命低，在使用过程中磨损严重，容易发生局部拉伤，特别是在雨季和潮湿地区，由于摩擦力增大，发生弓网故障的几率升高。(3)粉末冶金合金滑板的耐腐蚀性能较差，高速铁路受电弓滑板的工作环境恶劣，在大气中受水分、化学气体和盐类物质等作用，极易发生腐蚀，当空气湿度较大时，滑板表面水分会凝聚成水膜，大气中的O2、CO2及其它气体如H2S、SO2、Cl2等易溶解于水膜中，形成电解质薄层，由于金属电极电位差异，会产生电化学腐蚀。(4)现有的受电弓碳滑板的制备，需要经过原料混合、冷压、热压、加压固化、焙烧和高温石墨化等多道工序，工艺复杂，流程步骤多，生产过程费时费力、生产效率低。(5)现有性能良好的受电弓滑板的生产成本较高。一方面，生产工艺的复杂困难，使受电弓滑板的造价较高；另一方面，由于铜资源较稀缺，铜材价格昂贵，增加了材料的成本。(6)目前受电弓滑板的使用寿命较低，滑板损坏或性能减退后往往采用换件修理，损坏的受电弓滑板无法进行回收维修或再制造，对资源造成巨大的浪费。
针对上述问题，国内外研究者提出了一系列解决的方法。例如CN105543534A中公开了一种铜基受电弓滑板材料，按质量百分含量包括：Cu 58-86％、Fe 3-10％、Cr 1-5％、Ni 1-5％、Zn 2-5％、Sn 5-10％、Pb 1-5％、石墨1-2％。该铜基受电弓滑板材料具有较高强度和低摩擦磨损。CN106191497A公开了一种铜基受电弓滑板复合材料的应用方法，以石墨粉、钛粉以及铝粉等物质为原料，制备得到陶瓷坯体，将其进行高温烧结后，与预处理的石墨、铜粉进行球磨，得到复合材料粉料，最后将其进行压制、烧结和抛光处理，即可得到铜基受电弓滑板复合材料。得到的铜基受电弓滑板复合材料对导线的磨耗较小，且自身磨损量较小。CN105272254A公开了一种受电弓碳滑板材料的应用方法，包括混捏、成型、一次焙烧、浸渍和二次焙烧；混捏中骨料为粒径30-45nm电解石墨烯、粒径为40-55nm半补强炭黑和针状石油焦；粘结剂为中温沥青，浸渍剂为浸渍沥青；其中电解石墨烯粒径优选为35-45nm；半补强炭黑的粒径优选为50-65nm。
此外，部分研究者从结构上对受电弓滑板的设计方案进行了改进，例如CN105819858 A公开了一种受电弓碳滑条的应用方法，包括研磨成粉、混捏成糊料、轧片、加温压制、焙烧、降温出炉、成型等步骤。可制造出高性能的受电弓碳滑条。RU 201115349 A对现有受电弓进行了完善，将受电弓安装在由中空管制成的移动框架上，其中，中空管中填充有多孔导电材料，减小了受电弓的重量，提高了纵向和横向的刚度，可靠性更高。
以上专利采用不同方法对受电弓滑板的导电性、抗冲击强度等性能进行了提升，但仍旧是在现有受电弓滑板的基础上进行改良，金属基滑板依旧会存在对接触导线磨损严重的问题，碳系滑板也无法解决碳材料软导致的滑板破碎、掉渣问题，因此不能从根本上提高受电弓滑板的性能。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种新型高性能可修复的电力机车受电弓滑板及其制备方法，通过在单金属受电弓滑板表面喷涂Cu-TinO2n-1复合涂层，提高了受电弓滑板的耐磨性能和抗腐蚀性能，延长了受电弓滑板的使用寿命；同时提高了受电弓滑板的导电性，并赋予了受电弓滑板再制造的特性，降低了生产成本，适用于工业化应用。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种受电弓滑板，所述受电弓滑板包括Cu-TinO2n-1复合涂层(1)、受电弓滑板基体(2)和受电弓滑板座(3)；所述Cu-TinO2n-1复合涂层(1)包覆在受电弓滑板基体(2)的表面上，所述受电弓滑板基体(2)装配在受电弓滑板座(3)上，其中4≤n≤10。
根据本发明，所述Cu-TinO2n-1复合涂层(1)中4≤n≤10，例如可以是4、5、6、7、8、9或10，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及处于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，按质量百分含量计，所述Cu-TinO2n-1复合涂层包括：Ti4O7 60-70％；Cu 15-25％；TixO2x-1 10-15％；TiO2 5-10％；其中5≤x≤10。
根据本发明，按质量百分含量计，所述复合涂层中Ti4O7的含量为60-70％，例如可以是60％、61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％或70％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，按质量百分含量计，所述复合涂层中Cu的含量为15-25％，例如可以是15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％或25％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，按质量百分含量计，所述复合涂层中TixO2x-1的含量为10-15％，例如可以是10％、11％、12％、13％、14％或15％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，上述TixO2x-1中，x的范围为5≤x≤10，例如可以是5、6、7、8、9或10，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，按质量百分含量计，所述复合涂层中TiO2的含量为5-10％，例如可以是5％、6％、7％、8％、9％或10％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，所述受电弓滑板基体为单金属基体，例如可以是单金属铜或单金属铁等，但非仅限于此。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的受电弓滑板的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)以核壳结构的Cu-TiO2复合粉体为原料，利用等离子喷涂在受电弓滑板基体表面制备复合涂层；
(2)将步骤(1)得到的具有复合涂层的受电弓滑板基体装配在受电弓滑板座上。
在上述等离子喷涂过程中，等离子焰流中氢的等离子体和氢气会与TiO2中的氧发生化学反应(见式1,2)，夺走Ti-O键中的氧，产生氧空位，使TiO2发生脱氧，生成具有缺氧相的亚氧化钛Ti4O7，从而获得高含量的Ti4O7，进而在受电弓滑板基体表面得到复合涂层。
TiO2+H2→Ti4O7+H2O (1)
TiO2+H+→Ti4O7+H2O (2)
本发明选用本领域常用的手段制备Cu-TiO2复合粉体，对其具体的方法并不做特殊限定，只要制备得到核壳结构的Cu-TiO2复合粉体即可。如图2所示，所述Cu-TiO2复合粉体中Cu为核，TiO2包裹在Cu周围，形成壳体。采用核壳结构的Cu-TiO2复合粉体作为原料，能够将Cu包覆在粉体内部，可有效减少Cu与空气的接触面积，抑制Cu的氧化；此外，TiO2作为壳体，可与等离子体射流中的H2充分接触并发生脱氧反应，从而提高亚氧化钛的转化效率。
优选地，本发明在步骤(1)中采用超声分散和喷雾干燥法制备所述核壳结构的Cu-TiO2复合粉体，但非仅限于此，具体操作为：
(a)按质量百分含量计，将15-25％的Cu粉和75-85％的TiO2粉混合，将所得混合粉末与去离子水和粘结剂混合搅拌，得到混合浆料；
(b)将步骤(a)所得混合浆料进行超声分散；
(c)将步骤(b)超声分散所得浆料进行喷雾造粒，得到核壳结构的Cu-TiO2复合粉体。
本发明选择将Cu粉的粒径范围控制为10-30μm，例如可以是10μm、13μm、15μm、18μm、20μm、23μm、25μm、28μm或30μm，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
本发明选择的TiO2粉的粒径为纳米级别，一般控制在1-100nm之间。
根据本发明，本发明最终制备得到的核壳结构的Cu-TiO2复合粉体的粒径为25-70μm，例如可以是25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm或70μm，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
对于本发明而言，若复合粉体的粒径过小，粉体质量轻，喷涂过程中会产生烧损和飞扬等问题，送粉困难，涂层的沉积效率差。若粉体粒径过大，则送粉器送粉困难，在等离子射流中加速困难，且融化程度不充分，在基体上的沉积效率低，涂层空隙较多，涂层质量较差。
根据本发明，按质量百分含量计，步骤(a)所述混合浆料中含有：20-40％混合粉末；60-78％去离子水；1-3％粘结剂。
根据本发明，所述粘结剂为聚乙烯醇。
根据本发明，步骤(b)所述超声分散的时间为2.5-4h，频率为40-60Hz，温度为45-60℃。
本发明为了减少纳米TiO2粉末的团聚现象，选择在步骤(b)所述超声分散过程中向混合浆料中加入浆料总重量0.1-1％的阴离子型聚羧酸盐电解质(SND6800)。
等离子喷涂技术为应用较普遍的技术，本发明对于等离子喷涂设备的具体结构，机理等不再赘述，只限制了对本发明影响较大的关键参数。步骤(1)所述等离子喷涂的具体操作为：将核壳结构的Cu-TiO2复合粉体通过送粉器输送到等离子喷涂设备的喷嘴前，以Ar和H2为工作气体，控制电压电流，利用等离子焰的温度使等离子焰流中氢的等离子体和氢气与TiO2中的氧发生化学反应生成Ti4O7，喷射到受电弓滑板基体表面后形成复合涂层。
根据本发明，所述Cu-TiO2复合粉体的送粉速度为15-30g/min，例如可以是15g/min、17g/min、20g/min、23g/min、25g/min、27g/min或30g/min，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，所述工作气体中H2的含量为Ar的20-30％，例如可以是20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％或30％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
对于本发明而言，H2的比例必须控制在上述范围内，当H2的比例过大时，会加速喷嘴和阴极的烧蚀，降低喷枪的寿命，同时H2的电离度小，热晗较高，含量过高存在安全隐患。而当H2的比例过小时，则会降低TiO2脱氧反应的效率，降低产物中亚氧化钛的生成。
根据本发明，所述Ar的流量为125-135L/min，例如可以是125L/min、126L/min、127L/min、128L/min、129L/min、130L/min、131L/min、132L/min、133L/min、134L/min或135L/min，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
当Ar的流量过高时，不利于粉末的加热，粉末熔化不均匀，喷涂效率降低，涂层组织疏松，孔隙率增加。当Ar的流量过低时，会使喷枪工作电压下降，使焰流软弱无力，容易引起喷嘴烧蚀。
根据本发明，所述H2的流量为30-40L/min，例如可以是30L/min、31L/min、32L/min、33L/min、34L/min、35L/min、36L/min、37L/min、38L/min、39L/min或40L/min，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
当H2的流量过高或过低时，其带来的后果与上述H2含量过高或过低类似，均不利于复合涂层的制备，制备过程中应尽力避免。
根据本发明，所述等离子喷涂时电压为135-145V，例如可以是135V、136V、137V、138V、139V、140V、141V、142V、143V、144V或145V，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，所述等离子喷涂时电流为440-460A，例如可以是440A、443A、445A、448A、450A、453A、455A、458A或460A，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
上述电压和电流也是制备过程中的重要参数，电压与电流的乘积就是喷涂功率。当喷涂功率过大时，可能会使喷涂材料气化并引起涂层成分改变，蒸汽凝聚会引起涂层粘结不良，还会使喷嘴和电极加剧烧蚀。当喷涂功率过小时，则会引起喷涂粒子加热不足，涂层的粘结强度、硬度和沉积效率都降低。
根据本发明，所述等离子喷涂时喷嘴与受电弓滑板基体表面的距离为70-90mm，例如可以是70mm、73mm、75mm、78mm、80mm、83mm、85mm、88mm或90mm，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
当喷嘴与受电弓滑板基体表面的距离过远时，会使已经加热到熔融状态的粉末冷却，飞行速度降低，影响涂层与基体的结合，喷涂效率降低，涂层孔隙率增加。当距离过近时，会导致粉末加热不充分，影响结合强度，同时使基体温度过高，造成热变形。
本发明选择在步骤(1)所述等离子喷涂前对受电弓滑板基体表面进行预处理，所述预处理为：使用丙酮对受电弓滑板基体表面进行超声波清洗，以去除滑板表面的污染物；然后对清洗后的表面进行喷砂处理，在外表面上形成清洁的粗糙表面，增强熔融的喷涂粒子与基体表面的机械结合力，提高涂层的结合强度。
本发明在步骤(2)所述装配前，对所得受电弓滑板基体的复合涂层表面进行打磨抛光，打磨抛光后复合涂层的厚度降低了80-100μm，为300-320μm；然后通过导电胶安装在受电弓滑板座上。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明在单金属基受电弓滑板上喷涂Cu-TinO2n-1复合涂层(4≤n≤10)，主要组分Ti4O7为陶瓷材料，Cu含量较少，不会与硬铜材质的接触网导线发生金属粘连，对接触网导线的磨损较小。涂层中的陶瓷材料Ti4O7具有很高的机械强度，减摩性和耐磨性好，在与接触网导线的摩擦中不易发生破碎，滑板的磨损也较小，延长了受电弓滑板的使用寿命。
(2)本发明提供的复合涂层具有优良的抗腐蚀性能，陶瓷材料Ti4O7具有很好的电化学稳定性，在强酸强碱环境下都非常稳定，在工作运行中不易被腐蚀，同时，复合涂层喷涂在金属基表面，将基体与外界环境隔绝，这种结构的受电弓滑板，能够防止金属基在大气环境中被腐蚀，从而保护了基体，延长了受电弓滑板的使用寿命。
(3)本发明设计的受电弓滑板在使用过程中，复合涂层与接触网导线接触摩擦，而基体不会发生磨损，当受电弓滑板达到使用寿命后，可回收进行再制造，使用等离子喷涂法对滑板进行重新喷涂，修复滑板表面的涂层，再制造后的滑板性能与新品一致，有效地节约了资源，大大降低了生产成本。
(4)本发明得到的复合涂层中Ti4O7具有类金属的高导电性，加入导电金属Cu，大幅提高了涂层的导电性能，涂层的电阻率在4-8μΩ·m之间，保证了无轨电车受流状况良好。
(5)本发明将制备的核壳结构的Cu-TiO2粉末，利用等离子喷涂直接对滑板基体进行喷涂，原位生成Cu-TinO2n-1的复合涂层(4≤n≤10)，无需经过多道工序流程，生产工艺简单，同时，每批次可对多个滑板同时进行喷涂，生产效率高。
(6)本发明使用的喷涂原料为Cu-TiO2粉末，其中主要组分TiO2资源丰富，来源广泛，而Cu的含量少，既节约了资源也降低了原料成本。生产采用等离子喷涂的方法，工艺简单，生产的成本低。
附图说明
图1是本发明制备的受电弓滑板的剖面结构示意图，其中，1为Cu-TinO2n-1复合涂层；2为受电弓滑板基体；3为受电弓滑板座；
图2是核壳结构的Cu-TiO2复合粉体的扫描电镜图，其中，1为Cu；2为TiO2；
图3是摩擦系数曲线图，其中，1为本发明实施例1制备得到的受电弓滑板，2为市购的普通受电弓滑板；
图4是磨痕深度曲线图，其中，1为本发明实施例1制备得到的受电弓滑板，2为市购的普通受电弓滑板。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
(1)采用超声分散和喷雾干燥法制备Cu-TiO2复合粉体
1)按质量百分含量计，取20％平均粒径为15μm的Cu粉与80％平均粒径为60nm的纳米TiO2粉末进行掺杂混合，得到混合粉末；
2)按质量百分含量计，分别取30％混合粉末，68.5％去离子水和1.5％的粘结剂PVA混合后进行搅拌，得到混合浆料；
3)将步骤2)所得混合浆料置于超声反应器中，在45Hz的频率、50℃的温度下连续超声分散3小时，超声分散过程中，在浆料中加入占浆料总重的0.5％的分散剂SND 6800；
4)选用LGZ-25型离心式喷雾干燥机将步骤3)超声分散所得浆料进行喷雾造粒，选用的喷雾干燥参数如表1所示，喷雾造粒后得到核壳结构的Cu-TiO2复合粉体。
表1
空气进口温度 230℃ 浆料送给速率 60g/min
腔体空气温度 151℃ 雾化空气流量 12m<sup>3</sup>/h
空气出口温度 130℃ 高压空气压力 0.4Mpa
喷嘴旋转速度 13000r/min
(2)利用等离子喷涂在受电弓滑板基体表面制备复合涂层
1)喷涂前用丙酮对受电弓滑板基体表面进行超声波清洗，然后对清洗后的表面进行喷砂处理；
2)将制备的核壳结构的Cu-TiO2复合粉体通过送粉器输送到等离子喷涂设备的喷嘴前，送粉速度为20g/min；以Ar和H2为工作气体，H2的含量为Ar的30％，控制Ar气体的流量为130L/min，H2气体的流量为39L/min；调节电压为电压为140V，电流为450A，喷涂距离为80mm，利用等离子焰温度使粉体达到熔融状态并以极高的速度(平均速度超过340m/s)喷射到受电弓滑板基体表面，在表面上得到复合涂层。
(3)将得到的具有复合涂层的受电弓滑板基体装配在受电弓滑板座上
根据预定的受电弓滑板截面尺寸，将所得涂层表面进行打磨抛光至规定粗糙度，抛光过程中涂层厚度下降了约80-100μm，最终所得的涂层厚度为300-320μm；然后利用导电胶将受电弓滑板基体装配在受电弓滑板座上，装配后的受电弓滑板剖面结构如图1所示。
实施例2
(1)采用超声分散和喷雾干燥法制备Cu-TiO2复合粉体
1)按质量百分含量计，取23％平均粒径为15μm的Cu粉与77％平均粒径为60nm的纳米TiO2粉末进行掺杂混合，得到混合粉末；
2)按质量百分含量计，分别取33％混合粉末，65％去离子水和2％的粘结剂PVA混合后进行搅拌，得到混合浆料；
3)将步骤2)所得混合浆料置于超声反应器中，在45Hz的频率、50℃的温度下连续超声分散3小时，超声分散过程中，在浆料中加入占浆料总重的0.8％的分散剂SND 6800；
4)选用LGZ-25型离心式喷雾干燥机将步骤3)超声分散所得浆料进行喷雾造粒，选用的喷雾干燥参数如实施例1中表1所示，喷雾造粒后得到核壳结构的Cu-TiO2复合粉体。
(2)利用等离子喷涂在受电弓滑板基体表面制备复合涂层
1)喷涂前用丙酮对受电弓滑板基体表面进行超声波清洗，然后对清洗后的表面进行喷砂处理；
2)将制备的核壳结构的Cu-TiO2复合粉体通过送粉器输送到等离子喷涂设备的喷嘴前，送粉速度为25g/min；以Ar和H2为工作气体，H2的含量为Ar的25％，控制Ar气体的流量为140L/min，H2气体的流量为35L/min；调节电压为电压为135V，电流为440A，喷涂距离为85mm，利用等离子焰温度使粉体达到熔融状态并以极高的速度(平均速度超过340m/s)喷射到受电弓滑板基体表面，在表面上得到复合涂层。
(3)将得到的具有复合涂层的受电弓滑板基体装配在受电弓滑板座上
根据预定的受电弓滑板截面尺寸，将所得涂层表面进行打磨抛光至规定粗糙度，抛光过程中涂层厚度下降了约80-100μm，最终所得的涂层厚度为300-320μm；然后利用导电胶将受电弓滑板基体装配在受电弓滑板座上。
对比例1
(1)制备Cu-TiO2复合粉体；
1)按质量百分含量计，取20％平均粒径为15μm的Cu粉与80％平均粒径为60nm的纳米TiO2粉末进行掺杂混合，得到混合粉末；
2)按质量百分含量计，分别取30％混合粉末，68.5％去离子水和1.5％的粘结剂PVA混合后进行搅拌，得到混合浆料；
3)选用LGZ-25型离心式喷雾干燥机将步骤(2)所得浆料进行喷雾造粒，选用的喷雾干燥参数如表1所示，喷雾造粒后得到非核壳结构的Cu-TiO2复合粉体。
(2)同实施例1步骤(2)；
(3)同实施例1步骤(3)。
经过检测，发现所得涂层中含有较多的CuO，且Ti4O7的含量不足，仅有40％左右，而TiO2的含量则过多，不能得到本发明所述的复合涂层。
性能测试
以本发明实施例1得到的受电弓滑板和市购的高铁受电弓滑板为样品，采用微动摩擦磨损试验机(德国OPTIMOL公司生产)，在相同的条件下测试其涂层的摩擦学性能。采用球盘往复式的摩擦形式，在大气环境中，室温条件下进行测试。其中，载荷大小为20N，频率20Hz，往复行程1.5mm，时间60mim。对偶件是镀铬球，直径10mm。
同时，采用本领域常规的方法测试其电阻率，测得本发明实施例1得到的受电弓滑板的电阻率为5μΩ·m，而市购的高铁受电弓滑板的电阻率为10μΩ·m。
图3为测得的涂层摩擦系数曲线随时间的变化关系，如图所示，本发明实施例1得到的覆有复合涂层的受电弓滑板的摩擦系数在0.2左右，远远低于市购的普通受电弓滑板；且其曲线平稳，显示出更好的耐磨性能。
通过磨损的深度和宽度对两种受电弓滑板的磨损量进行评估，如图4所示，在相同的实验条件下，喷涂有复合涂层的受电弓滑板的磨损深度和宽度均远小于普通受电弓滑板，其磨损量约为普通受电弓滑板的50％。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (21)

1.一种受电弓滑板，其特征在于，所述受电弓滑板包括Cu-TinO2n-1复合涂层(1)、受电弓滑板基体(2)和受电弓滑板座(3)；所述Cu-TinO2n-1复合涂层(1)包覆在受电弓滑板基体(2)的表面上，所述受电弓滑板基体(2)装配在受电弓滑板座(3)上，其中4≤n≤10；
所述Cu-TinO2n-1复合涂层包括：Ti4O7 60-70％；Cu 15-25％；TixO2x-1 10-15％；TiO2 5-10％；其中5≤x≤10；
制备过程中以核壳结构的Cu-TiO2复合粉体为原料，利用等离子喷涂在受电弓滑板基体表面制备复合涂层。
2.如权利要求1所述的受电弓滑板，其特征在于，所述受电弓滑板基体为单金属基体。
3.如权利要求1所述的受电弓滑板，其特征在于，所述受电弓滑板基体为铜或铁。
4.如权利要求1-3任一项所述的受电弓滑板的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)以核壳结构的Cu-TiO2复合粉体为原料，利用等离子喷涂在受电弓滑板基体表面制备复合涂层；
(2)将步骤(1)得到的具有复合涂层的受电弓滑板基体装配在受电弓滑板座上。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)中采用超声分散和喷雾干燥法制备所述核壳结构的Cu-TiO2复合粉体，具体操作为：
(a)按质量百分含量计，将15-25％的Cu粉和75-85％的TiO2粉混合，将所得混合粉末与去离子水和粘结剂混合搅拌，得到混合浆料；
(b)将步骤(a)所得混合浆料进行超声分散；
(c)将步骤(b)超声分散所得浆料进行喷雾造粒，得到核壳结构的Cu-TiO2复合粉体。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，按质量百分含量计，步骤(a)所述混合浆料中含有：20-40％混合粉末；60-78％去离子水；1-3％粘结剂。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述粘结剂为聚乙烯醇。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(b)所述超声分散的时间为2.5-4h，频率为40-60Hz，温度为45-60℃。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤(b)所述超声分散过程中向混合浆料中加入浆料总重量0.1-1％的阴离子型聚羧酸盐电解质。
10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述等离子喷涂的具体操作为：将核壳结构的Cu-TiO2复合粉体通过送粉器输送到等离子喷涂设备的喷嘴前，以Ar和H2为工作气体，控制电压电流，利用等离子焰的温度使等离子焰流中氢的等离子体和氢气与TiO2中的氧发生化学反应生成Ti4O7，喷射到受电弓滑板基体表面后形成复合涂层。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述Cu-TiO2复合粉体的送粉速度为15-30g/min。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述工作气体中H2的含量为Ar的20-30％。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述Ar的流量为125-135L/min。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述H2的流量为30-40L/min。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述等离子喷涂时电压为135-145V，电流为440-460A。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述等离子喷涂时喷嘴与受电弓滑板基体表面的距离为70-90mm。
17.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述等离子喷涂前对受电弓滑板基体表面进行预处理，所述预处理为：对受电弓滑板基体表面进行超声波清洗，然后对清洗后的表面进行喷砂处理。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，使用丙酮进行超声波清洗。
19.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述装配前，对所得受电弓滑板基体的复合涂层表面进行打磨抛光，然后通过导电胶将其安装在受电弓滑板座上。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述打磨抛光后复合涂层厚度降低了80-100μm。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述打磨抛光后复合涂层的厚度为300-320μm。
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