CN112935250A - 受电弓滑板用的Cu与Ti3AlC2功能梯度材料及其制备方法 - Google Patents

受电弓滑板用的Cu与Ti3AlC2功能梯度材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种受电弓滑板用的Cu与Ti3AlC2功能梯度材料及其制备方法，Cu与Ti3AlC2功能梯度材料由3～6层组成，Cu材料与Ti3AlC2材料的体积分数梯度变化为5％～95％。功能梯度材料Cu和Ti3AlC2含量沿厚度方向呈梯度变化，沿富Cu到富Ti3AlC2方向，材料硬度、强度、耐磨性及抗氧化性能逐渐提高。沿富Ti3AlC2到富Cu方向，电导率、热导率、韧性逐渐提高。本发明制备方法是以Cu粉和熔盐烧结得到的Ti3AlC2粉末为原料，混粉均匀后分层装于石墨模具中，通过放电等离子烧结方法得到。制得的Cu与Ti3AlC2功能梯度材料内部界面弱化，热应力缓和，不同接触面性能不同，整体性能优异，具有良好的在受电弓滑板材料的应用前景。

Description

受电弓滑板用的Cu与Ti3AlC2功能梯度材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种受电弓滑板用的梯度复合材料制备，更特别地说，是指一种用作电力机车的受电弓滑板材料的放电等离子技术制备，即Cu与Ti3AlC2功能梯度材料的制备。
背景技术
梯度功能材料(Functionally Graded Materials，FGM)的基本思想是：为了避免陶瓷/金属复合部件在使用过程中，因陶瓷与金属间在线膨胀系数、热导率、弹性模量及强度、韧性等物理性能和力学性能上的巨大差异所产生的过高界面应力而致使陶瓷层出现开裂及剥落现象，陶瓷与金属不是直接接触连接，而是在陶瓷与金属两者之间形成一个在成分、组织组成及性能上均呈梯度连接变化的过渡区。
电力机车运行过程中，所需的电能是由地面供电系统通过接触网经受电弓获得，受电弓传输的能量经过整流设备、发动机将电能转化为机械能，从而为机车提供牵引力来使电力机车工作，因此受电弓与接触网导线的可靠接触是列车能够正常运行的重要保障，受电弓滑板工作原理如图1所示。受电弓滑板主要安装在电力机车受电弓的顶部，是负责电力机车从架空接触网线(或称接触线、导线)汲取电流的设备，在滑动时从接触网线上获取电流，为电力机车运行提供动力。随着电力机车运行速度的提升，受电弓滑板的性能也在逐步提高。在电力机车高速运行时，一方面受电弓滑板表面摩擦会产生大量的热量，导致受电弓滑板表面温度提升。另一方面，受电弓滑板在接触分段绝缘器等硬点时会发生离线拉弧现象，导致受电弓滑板表面质量下降。因此，随着电力机车速度的提升，人们对受电弓滑板材料的研究也在逐渐深入。传统受电弓滑板的结构如图2所示。
由于受电弓滑板(Pantograph Slipper)工作环境要经历严酷的磨损、腐蚀、冲击、应力作用等，因此要求受电弓滑板材料具有低电阻率、高强度、耐磨损、耐腐蚀等优良性能。MAX相材料是一类具有六方晶格结构的纳米层状碳化物、氮化物或碳氮化物材料，MAX相的晶体结构与元素组成使其兼具金属与陶瓷材料的诸多优良性质，具有优良的耐腐蚀、耐高温性能，同时具有高强度、高韧性、高模量、高热导、高电导、自润滑、抗热震、抗氧化以及良好的机械可加工性(其韧性和可加工性与金属或合金相比仍有差距)和优良的损伤容限等性能。Cu-MAX相复合材料作为电力机车的电弓滑板材料具有很好的应用前景。
发明内容
为了解决现有铜基受电弓滑板不耐磨的缺陷，本发明提出了一种采用放电等离子体烧结工艺制备出Cu和Ti3AlC2梯度变化的受电弓滑板材料及方法。本发明以Cu和熔盐烧结得到的Ti3AlC2为原料配成梯度分布层后烧结而成，沿梯度方向，Ti3AlC2原料的体积分数由0％～5％逐渐增加到55％～100％。
本发明的一种成分梯度变化的受电弓滑板材料，从底层(1)至顶层(2)之间有2～6层的材料成分呈梯度变化的层；从底层(1)开始的层顺次称为第一层(10)、第二层(20)、第三层(30)直至顶层(2)；从底层(1)至顶层(2)之间Cu粉材与Ti3AlC2粉材的体积分数梯度变化为5％～95％。
本发明的一种采用放电等离子体烧结工艺制备Cu与Ti3AlC2成分梯度变化的受电弓滑板材料的方法，其特征在于有下列步骤：
步骤一，熔盐法烧结制Ti3AlC2粉材；
步骤11，配料；
按照摩尔比为(1.8～2.2):(0.8～1.2):(1～1.3):(4～6)称取碳化钛(TiC)、钛(Ti)、铝(Al)和无机盐，得到混合粉材；
无机盐为：氯化钾(KCl)、氯化钠(NaCl)
步骤12，研磨混粉；
将称取的混合粉材进行研磨混合，得粒径小于200目的混合粉；
在本发明中，研磨采用球磨机，研磨介质为平均直径小于6mm的玛瑙球，玛瑙球占研磨容器有效容积的50％～60％；研磨时间为2～3h；
步骤13，熔盐法烧结制烧结粉；
将上述混合粉放入管式炉中进行烧结，在高纯Ar气环境下，升温速率为5℃/min，烧结温度为1000℃～1300℃下保温6～10小时，得到烧结产物；
步骤14，得下层物A；
将烧结产物置于烧杯中，加入去离子水并搅拌，在超声频率为50KHz下超声清洗10～20分钟，之后静置30～45分钟，倒掉上层清液；得到下层物A；
步骤15，得下层物B；
在下层物A中加入去离子水并搅拌，在超声频率为50KHz下超声清洗10～20分钟，之后静置30～45分钟，倒掉上层清液；得到下层物B；
步骤16，得下层物C；
在下层物B中加入去离子水并搅拌，在超声频率为50KHz下超声清洗10～20分钟，之后静置30～45分钟，倒掉上层清液；得到下层物C；
步骤17，得Ti3AlC2；
在下层物C中加入去离子水，选择0.45微米的有机滤膜，用真空抽滤方法去除水分，得到滤膜上的Ti3AlC2生成物；
步骤18，制干燥的Ti3AlC2粉；
将Ti3AlC2生成物置于60℃～80℃的真空烘箱中，干燥5～7小时后取出，得到干燥的Ti3AlC2粉末；
步骤二，研磨制Cu粉材；
将质量百分比纯度为99.99％的Cu粉进行研磨，制得粒径小于300目的细Cu粉；
研磨采用球磨机，研磨介质为平均直径小于6mm的玛瑙球，玛瑙球占研磨容器有效容积的50％～60％；研磨时间为2～3h；
步骤三，放电等离子体烧结制层分布的Cu与Ti3AlC成分梯度变化的受电弓滑板材料；
用量：Cu粉材的体积分数用量，记为X；Ti3AlC2粉材的体积分数用量，记为Y；且X+Y＝100；
步骤31，制底层材料；
称取底层(1)材料，并装入模具中，在10～20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－装料模具；
底层材料用量：Cu粉材的体积分数X≥5；Ti3AlC2粉材的体积分数Y≥95；且X+Y＝100；
步骤32，制底层与顶层之间的层材料；
继底层(1)材料之后的为第一层(10)材料；
步骤32A，制继底层之后的第一层材料；
称取第一层(10)材料，并装入底层－装料模具中，在10～20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－第一层－装料模具；
第一层材料用量：Cu粉材的体积分数X≥25；Ti3AlC2粉材的体积分数Y≥75；且X+Y＝100；
步骤32B，制第二层材料；
称取第二层(20)材料，并装入模具中，在10～20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－第一层－第二层－装料模具；
第二层材料用量：Cu粉材的体积分数X≥40；Ti3AlC2粉材的体积分数Y≥60；且X+Y＝100；
步骤32C，制第三层材料；
称取第三层(30)材料，并装入中间层－装料模具中，在10～20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－第一层－第二层－第三层－装料模具；
第三层材料用量：Cu粉材的体积分数X≥85；Ti3AlC2粉材的体积分数Y≥15；且X+Y＝100；
步骤33，制顶层材料；
称取顶层(2)材料，并装入底层－第一层－第二层－第三层－装料模具中，在10～20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的装料模具；
顶层材料用量：Cu粉材的体积分数X≥95；Ti3AlC2粉材的体积分数Y≥5；且X+Y＝100；
步骤34，放电等离子体烧结制受电弓滑板材料；
将装料模具置于放电等离子体烧结设备中进行烧结，烧结气氛为高纯Ar气，升温速率为20℃/min～50℃/min，烧结温度为800℃～1050℃，压力10～30MPa，保温5～20min，降温速率为50℃/min～100℃/min，降温到400℃，之后随炉冷至室温；
烧结后脱模取出，得到成分梯度变化的受电弓滑板材料。
本发明的优点在于：
①经本发明方法制备的Cu与Ti3AlC2功能梯度材料一端为主要成分为Cu的复合材料，具有优异的导电、导热性能，另一端为主要成分为Ti3AlC2的复合材料，具有较高的强度、耐高温氧化，耐磨损性能，克服了Cu的不耐高温氧化、磨损严重等缺点。
②经本发明方法制备的Cu与Ti3AlC2功能梯度材料，成分和性质沿厚度方向呈梯度变化，梯度层界面不明显，可有效降低两侧之间的热应力，减小裂纹驱动力，延长材料寿命，可用于恶劣环境。
③本发明制备的Cu与Ti3AlC2功能梯度材料以熔盐烧结得到的Ti3AlC2粉末为原料，颗粒粒度小，表面活性高，对提高复合材料的力学和电学性能有显著效果。
④本发明制备Cu与Ti3AlC2功能梯度材料采用放电等离子体烧结工艺，烧结效率高，烧结致密。
附图说明
图1是电力机车通过滑板从接触网中受电的图。
图2是电力机车上的传统受电弓滑板的照片。
图3为本发明实施例1中熔盐制备的Ti3AlC2材料粉体的XRD谱图。
图4为本发明实施例1中熔盐制备的Ti3AlC2材料粉体的SEM图。
图5是本发明实施例1制得四层结构的Cu与Ti3AlC2功能梯度材料的示意图。
图6为本发明实施例1制备的Cu与Ti3AlC2功能梯度材料中的各梯度层电阻率曲线图。
图7为本发明实施例1制备的Cu与Ti3AlC2功能梯度材料中的各梯度层热导率曲线图。
图8为本发明实施例1制备的Cu与Ti3AlC2功能梯度材料中1～3层显微硬度曲线图。
图9为本发明实施例1制备的Cu与Ti3AlC2功能梯度材料中第3层XRD谱图。
图10为经本发明方法制得的成分梯度变化的受电弓滑板材料的层结构示意图。
1.底层 2.顶层 10.第一层
20.第二层 30.第三层
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图10所示，经本发明方法制得的受电弓滑板材料从底层(1)至顶层(2)之间有2～6层的材料成分呈梯度变化的层；从底层(1)开始的层顺次称为第一层(10)、第二层(20)、第三层(30)直至顶层(2)；从底层(1)至顶层(2)之间受电弓滑板材料由Cu粉材与Ti3AlC2粉材组成；Cu粉材与Ti3AlC2粉材的体积分数梯度变化为5％～95％。
用量：Cu粉材的体积分数用量，记为X；Ti3AlC2粉材的体积分数用量，记为Y；且X+Y＝100。
例如，受电弓滑板材料中，X＝95％，则Y＝5％。即体积分数为95％的Cu粉材与体积分数为5％的Ti3AlC2粉材混合。
在本发明中，Cu粉材的体积分数梯度变化为5％～95％。反之，Ti3AlC2粉材的体积分数梯度变化为5％～95％。
底层(1)材料成分用量为X≥5，Y≥95，且X+Y＝100。
第一层(10)材料成分用量为X≥25，Y≥75，且X+Y＝100。
第二层(20)材料成分用量为X≥40，Y≥60，且X+Y＝100。
第三层(30)材料成分用量为X≥85，Y≥15，且X+Y＝100。
顶层(2)材料成分用量为X≥95，Y≥5，且X+Y＝100。
本发明涉及一种采用放电等离子体烧结工艺制备Cu与Ti3AlC2成分梯度变化的受电弓滑板材料，其包括有下列步骤：
步骤一，熔盐法烧结制Ti3AlC2粉材；
步骤11，配料；
按照摩尔比为(1.8～2.2):(0.8～1.2):(1～1.3):(4～6)称取碳化钛(TiC)、钛(Ti)、铝(Al)和无机盐，得到混合粉材；
无机盐为：氯化钾(KCl)、氯化钠(NaCl)
步骤12，研磨混粉；
将称取的混合粉材进行研磨混合，得粒径小于200目的混合粉；
在本发明中，研磨采用球磨机，研磨介质为平均直径小于6mm的玛瑙球，玛瑙球占研磨容器有效容积的50％～60％；研磨时间为2～3h；
步骤13，熔盐法烧结制烧结粉；
将上述混合粉放入管式炉中进行烧结，在高纯Ar气环境下，升温速率为5℃/min，烧结温度为1000℃～1300℃下保温6～10小时，得到烧结产物；
步骤14，得下层物A；
将烧结产物置于烧杯中，加入去离子水并搅拌，在超声频率为50KHz下超声清洗10～20分钟，之后静置30～45分钟，倒掉上层清液；得到下层物A；
步骤15，得下层物B；
在下层物A中加入去离子水并搅拌，在超声频率为50KHz下超声清洗10～20分钟，之后静置30～45分钟，倒掉上层清液；得到下层物B；
步骤16，得下层物C；
在下层物B中加入去离子水并搅拌，在超声频率为50KHz下超声清洗10～20分钟，之后静置30～45分钟，倒掉上层清液；得到下层物C；
步骤17，得Ti3AlC2；
在下层物C中加入去离子水，选择0.45微米的有机滤膜，用真空抽滤方法去除水分，得到滤膜上的Ti3AlC2生成物；
步骤18，制干燥的Ti3AlC2粉；
将Ti3AlC2生成物置于60℃～80℃的真空烘箱中，干燥5～7小时后取出，得到干燥的Ti3AlC2粉末。
步骤二，研磨制Cu粉材；
将质量百分比纯度为99.99％的Cu粉进行研磨，制得粒径小于300目的细Cu粉；
在本发明中，研磨采用球磨机，研磨介质为平均直径小于6mm的玛瑙球，玛瑙球占研磨容器有效容积的50％～60％；研磨时间为2～3h；
步骤三，放电等离子体烧结制层分布的Cu与Ti3AlC成分梯度变化的受电弓滑板材料；
在本发明中，模具是依据受电弓滑板的结构开发的。
参见图10所示，经本发明方法制得的受电弓滑板材料包括有底层(1)、第一层(10)、第二层(20)、第三层(30)和顶层(2)，即从底层(1)至顶层(2)之间是第一层(10)、第二层(20)、第三层(30)；受电弓滑板材料由Cu粉材与Ti3AlC2粉材组成；Cu粉材与Ti3AlC2粉材的体积分数梯度变化为5％～95％。
用量：Cu粉材的体积分数用量，记为X；Ti3AlC2粉材的体积分数用量，记为Y；且X+Y＝100。
步骤31，制底层材料；
称取底层(1)材料，并装入模具中，在10～20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－装料模具；
底层材料用量：Cu粉材的体积分数X≥5；Ti3AlC2粉材的体积分数Y≥95；且X+Y＝100；
步骤32，制底层与顶层之间的层材料；
继底层(1)材料之后的为第一层(10)材料；
在本发明中，底层(1)材料与顶层(2)材料之间的层进行顺次称为第一层(10)、第二层(20)、第三层(30)、……，只要保证受电弓滑板成分材料呈梯度变化。
步骤32A，制第一层材料；
称取第一层(10)材料，并装入底层－装料模具中，在10～20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－第一层－装料模具；
第一层材料用量：Cu粉材的体积分数X≥25；Ti3AlC2粉材的体积分数Y≥75；且X+Y＝100；
步骤32B，制第二层材料；
称取第二层(20)材料，并装入模具中，在10～20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－第一层－第二层－装料模具；
第二层材料用量：Cu粉材的体积分数X≥40；Ti3AlC2粉材的体积分数Y≥60；且X+Y＝100；
步骤32C，制第三层材料；
称取第三层(30)材料，并装入中间层－装料模具中，在10～20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－第一层－第二层－第三层－装料模具；
第三层材料用量：Cu粉材的体积分数X≥85；Ti3AlC2粉材的体积分数Y≥15；且X+Y＝100；
步骤33，制顶层材料；
称取顶层(2)材料，并装入底层－第一层－第二层－第三层－装料模具中，在10～20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的装料模具；
顶层材料用量：Cu粉材的体积分数X≥95；Ti3AlC2粉材的体积分数Y≥5；且X+Y＝100；
步骤34，放电等离子体烧结制受电弓滑板材料；
将装料模具置于放电等离子体烧结设备中进行烧结，烧结气氛为高纯Ar气，升温速率为20℃/min～50℃/min，烧结温度为800℃～1050℃，压力10～30MPa，保温5～20min，降温速率为50℃/min～100℃/min到400℃，之后随炉冷却至室温；
烧结后脱模取出，得到受电弓滑板材料。
实施例1
制作四层结构的Cu/Ti3AlC2功能梯度材料
在本发明中，模具是依据受电弓滑板的结构开发的。
步骤一，熔盐法烧结制Ti3AlC2粉材；
步骤11，配料；
按照摩尔比TiC:Ti:Al:NaCl:KCl＝2:1:1.1:2:2的比例称取各粉材，得到混合粉材；
步骤12，研磨混粉；
将称取的混合粉材进行研磨混合，得粒径小于300目的混合粉；
在本发明中，研磨采用球磨机，研磨介质为平均直径小于6mm的玛瑙球，玛瑙球占研磨容器有效容积的50％；研磨时间为2h；
步骤13，熔盐法烧结制烧结粉；
将上述混合粉装入石英坩埚放入管式炉中进行烧结，在高纯Ar气环境下，升温速率为5℃/min，烧结温度为1100℃下保温7小时，得到烧结产物；
步骤14，得下层物A；
将上述烧结产物置于烧杯中，加入去离子水并搅拌，在超声频率为50KHz下超声清洗10分钟，之后静置30分钟，倒掉上层清液；得下层物A；
步骤15，得下层物B；
在下层物A中加入去离子水并搅拌，在超声频率为50KHz下超声清洗15分钟，之后静置30分钟，倒掉上层清液；得到下层物B；
步骤16，得下层物C；
在下层物B中加入去离子水并搅拌，在超声频率为50KHz下超声清洗20分钟，之后静置45分钟，倒掉上层清液；得到下层物C；
步骤17，得Ti3AlC2；
在下层物C中加入去离子水，选择0.45微米的有机滤膜，用真空抽滤方法去除水分，得到滤膜上的Ti3AlC2生成物；
步骤18，制干燥的Ti3AlC2粉；
将Ti3AlC2生成物置于80℃的真空烘箱中，干燥6小时后取出，得到干燥的Ti3AlC2粉末。
采用X射线衍射仪(XRD，D8 Advance,Bruker AXS,Germany，Cu Kα(λ＝0.1557nm)为射线源)对实施例1制得Ti3AlC2粉材进行物相分析，如图3所示。采用配有能谱仪的扫描电子显微镜(SEM,Quanta FEG 250,FEI,USA)对Ti3AlC2粉进行微观形貌，如图4。
熔盐法制备Ti3AlC2粉体，合成过程中以低熔点盐作为反应介质，形成液相环境，反应物在液相中实现原子尺度混合。如图2所示，此方法合成的Ti3AlC2粉体纯度极高，其他杂相在XRD物相表征中基本不可见。通过SEM观察，熔盐法得到的Ti3AlC2具有典型的层状结构特征，粉体的颗粒尺寸在几微米到十几微米，晶粒尺寸小且均匀性好，有利于与Cu复合。
步骤二，研磨制Cu粉材；
将质量百分比纯度为99.99％的Cu粉进行研磨，制得粒径小于200目的细Cu粉；
在本发明中，研磨采用球磨机，研磨介质为平均直径小于6mm的玛瑙球，玛瑙球占研磨容器有效容积的50％；研磨时间为2h；
步骤三，放电等离子体烧结制层分布的Cu与Ti3AlC2成分梯度变化的受电弓滑板材料；
在本发明中，石墨模具是依据受电弓滑板的结构开发的。
步骤31，制底层材料(1)；
称取5％体积分数的Ti3AlC2粉末和95％体积分数的细Cu粉，混合均匀，得到底层材料(1)；
将底层材料(1)装入石墨模具中，在15MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－装料模具；
步骤32，制底层与顶层之间的层材料；
在实施例1中，底层(1)材料与顶层(2)材料之间有第一层(10)材料和第二层(20)材料。
步骤32A，制继底层之后的第一层材料(10)；
称取25％体积分数的Ti3AlC2粉末和75％体积分数的细Cu粉，混合均匀，得到第一层材料(10)；
将第一层材料(10)装入底层－装料模具中，在15MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－第一层－装料模具；
步骤32B，制第二层材料(20)；
称取45％体积分数的Ti3AlC2粉末和55％体积分数的细Cu粉，混合均匀，得第二层材料(20)；
将第二层材料(20)装入底层－第一层－装料模具中，在20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－第一层－第二层－装料模具；
步骤33，制顶层材料(2)；
称取65％体积分数的Ti3AlC2粉末和35％体积分数的细Cu粉，混合均匀，得到顶层材料(2)；
将顶层材料(2)装入底层－第一层－第二层－装料模具中，在20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的装料模具；
步骤34，放电等离子体烧结制受电弓滑板材料；
将装料模具置于放电等离子体烧结设备中进行烧结，烧结气氛为高纯Ar气，升温速率为20℃/min，烧结温度为800℃，压力30MPa，保温5min；，降温速率为100℃/min到400℃，之后随炉冷却至室温；烧结后脱模取出得到受电弓滑板材料，如图5所示。
材料性能分析：
根据阿基米德原理，进行密度测量。复合材料的理论密度按配比加权纯相的理论密度。采用X射线衍射仪(XRD,D8 Advance,Bruker AXS,Germany，Cu Kα(λ＝0.1557nm)为射线源)对材料进行物相分析，采用四探针法对材料进行电阻率的测量，使用激光热导仪(LFA467型号)对材料进行热导率测量，使用显微硬度计(HVI-1000)对材料进行显微硬度测量。
制得Cu与Ti3AlC2成分梯度变化的受电弓滑板材料性能分析：
上述烧结条件各层的电导、热导及显微硬度值如图6、图7、图8所示。
采用X射线衍射仪对实施例1制得Cu与Ti3AlC2功能梯度材料进行物相分析，如图9所示。
此烧结条件(800℃，保温5min)获得的烧结体的相对密度为83％，XRD物相表征结果表明Ti3AlC2相无分解。此烧结条件各层的电阻率值范围从富Cu层到富Ti3AlC2层方向为0.58×10－7Ω·m～38×10－7Ω·m。各层的热导率值变化从富Cu层到富Ti3AlC2层方向为563W/(m·K)～3W/(m·K)。显微硬度值的变化从富Cu层到富Ti3AlC2层方向为86HV～119HV～107HV(不含顶层)。由于此烧结条件下，顶层的致密度显著下降，导致顶层电阻率值显著增加，热导率显著下降，显微硬度不可测。耐磨性(砂纸)随Ti3AlC2相含量增加而增强，但顶层由于致密度差，显著下降。
实施例2
制作五层结构的受电弓滑板
步骤一，熔盐法烧结制Ti3AlC2粉材；
步骤11，配料；
按照摩尔比TiC:Ti:Al:NaCl:KCl＝2:1:1.1:2:2的比例称取各粉材，得到混合粉材；
步骤12，研磨混粉；
将称取的混合粉材进行研磨混合，制得粒径小于300目的混合粉；
在本发明中，研磨采用球磨机，研磨介质为平均直径小于6mm的玛瑙球，玛瑙球占研磨容器有效容积的50％；研磨时间为2h；
步骤13，熔盐法烧结制烧结粉；
将上述混合粉装入石英坩埚放入管式炉中进行烧结，在高纯Ar气环境下，升温速率为5℃/min，烧结温度为1100℃下保温7小时，得到烧结产物；
步骤14，得下层物A；
将上述烧结产物置于烧杯中，加入去离子水并搅拌，在超声频率为50KHz下超声清洗10分钟，之后静置30分钟，倒掉上层清液；得下层物A；
步骤15，得下层物B；
在下层物A中加入去离子水并搅拌，在超声频率为50KHz下超声清洗15分钟，之后静置30分钟，倒掉上层清液；得下层物B；
步骤16，得下层物C；
在下层物B中加入去离子水并搅拌，在超声频率为50KHz下超声清洗20分钟，之后静置45分钟，倒掉上层清液；得下层物C；
步骤17，得Ti3AlC2；
在下层物C中加入去离子水，选择0.45微米的有机滤膜，用真空抽滤方法去除水分，得到滤膜上的Ti3AlC2生成物；
步骤18，制干燥的Ti3AlC2粉；
将Ti3AlC2生成物置于80℃的真空烘箱中，干燥6小时后取出，得到干燥的Ti3AlC2粉末。
步骤二，研磨制Cu粉材；
将质量百分比纯度为99.99％的Cu粉进行研磨，制得粒径小于200目的细Cu粉；
在本发明中，研磨采用球磨机，研磨介质为平均直径小于6mm的玛瑙球，玛瑙球占研磨容器有效容积的50％；研磨时间为2h；
步骤三，放电等离子体烧结制层分布的Cu与Ti3AlC2成分梯度变化的受电弓滑板材料；
在本发明中，模具是依据受电弓滑板的结构开发的。
步骤31，制底层为纯铜材料层；
称取100％体积分数的细Cu粉装入石墨模具中，在15MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－装料模具；
步骤32，制底层与顶层之间的层材料；
在实施例2中，底层材料与顶层材料之间有第一层材料、第二层材料和第三层材料。
步骤32A，制继底层后的第一层材料；
称取20％体积分数的Ti3AlC2粉末和80％体积分数的细Cu粉，混合均匀，得到第一层材料；
将第一层材料装入底层－装料模具中，在15MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－第一层－装料模具；
步骤32B，制第二层材料；
称取45％体积分数的Ti3AlC2粉末和55％体积分数的细Cu粉，混合均匀，得到第二层材料；
将第二层材料装入底层－第一层－装料模具中，在20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－第一层－第二层－装料模具；
步骤32C，制第三层材料；
称取60％体积分数的Ti3AlC2粉末和40％体积分数的细Cu粉，混合均匀，得第三层材料；
将第三层材料装入底层－第一层－第二层－装料模具中，在20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－第一层－第二层－第三层－装料模具；
步骤33，制顶层材料；
称取75％体积分数的Ti3AlC2粉末和25％体积分数的细Cu粉，混合均匀，得到顶层材料；
将顶层材料装入底层－第一层－第二层－第三层－装料模具中，在20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的装料模具；
步骤34，放电等离子体烧结制受电弓滑板材料；
将装料模具置于放电等离子体烧结设备中进行烧结，烧结气氛为高纯Ar气，升温速率为30℃/min，烧结温度为900℃，压力30MPa，保温20min；降温速率为100℃/min到400℃，之后随炉冷却至室温；烧结后脱模取出，得到受电弓滑板材料。
实施例2制得Cu与Ti3AlC2成分梯度变化的受电弓滑板材料性能分析：此烧结条件(900℃，保温20min)获得的烧结体的相对密度为90％，XRD物相表征结果表明Ti3AlC2相有部分分解产生TiC相。此烧结条件各层的电导率值范围从富Cu层到富Ti3AlC2层方向为(0.60～18)×10－7Ω·m。显微硬度值和耐磨性(砂纸)随Ti3AlC2相含量增加而增强。

Claims (6)

1.一种成分梯度变化的受电弓滑板材料，其特征在于：受电弓滑板材料从底层(1)至顶层(2)之间有2～6层的材料成分呈梯度变化的层；从底层(1)开始的层顺次称为第一层(10)、第二层(20)、第三层(30)直至顶层(2)；从底层(1)至顶层(2)之间Cu粉材与Ti3AlC2粉材的体积分数梯度变化为5％～95％。
2.根据权利要求1所述的成分梯度变化的受电弓滑板材料，其特征在于：受电弓滑板材料由底层(1)、第一层(10)、第二层(20)、第三层(30)和顶层(2)组成；
底层(1)材料成分用量为X≥5，Y≥95，且X+Y＝100；
第一层(10)材料成分用量为X≥25，Y≥75，且X+Y＝100；
第二层(20)材料成分用量为X≥40，Y≥60，且X+Y＝100；
第三层(30)材料成分用量为X≥85，Y≥15，且X+Y＝100；
顶层(2)材料成分用量为X≥95，Y≥5，且X+Y＝100。
3.根据权利要求1所述的成分梯度变化的受电弓滑板材料，其特征在于：受电弓滑板材料由底层(1)、第一层(10)、第二层(20)和顶层(2)组成；
底层(1)材料成分用量为X＝95，Y＝5；
第一层(10)材料成分用量为X＝75，Y＝25；
第二层(20)材料成分用量为X＝55，Y＝45；
顶层(2)材料成分用量为X＝35，Y＝65。
4.根据权利要求1、2或3所述的成分梯度变化的受电弓滑板材料，其特征在于：电阻率值范围从富Cu层到富Ti3AlC2层方向为0.56×10－7Ω·m～40×10－7Ω·m；
各层的热导率值变化从富Cu层到富Ti3AlC2层方向为570W/(m·K)～2W/(m·K)；
显微硬度值的变化从富Cu层到富Ti3AlC2层方向为86HV～125HV，不含顶层。
5.一种采用放电等离子体烧结工艺制备Cu与Ti3AlC2成分梯度变化的受电弓滑板材料的方法，其特征在于有下列步骤：
步骤一，熔盐法烧结制Ti3AlC2粉材；
步骤11，配料；
按照摩尔比为(1.8～2.2):(0.8～1.2):(1～1.3):(4～6)称取碳化钛(TiC)、钛(Ti)、铝(Al)和无机盐，得到混合粉材；
无机盐为：氯化钾(KCl)、氯化钠(NaCl)
步骤12，研磨混粉；
将称取的混合粉材进行研磨混合，得粒径小于200目的混合粉；
在本发明中，研磨采用球磨机，研磨介质为平均直径小于6mm的玛瑙球，玛瑙球占研磨容器有效容积的50％～60％；研磨时间为2～3h；
步骤13，熔盐法烧结制烧结粉；
将上述混合粉放入管式炉中进行烧结，在高纯Ar气环境下，升温速率为5℃/min，烧结温度为1000℃～1300℃下保温6～10小时，得到烧结产物；
步骤14，得下层物A；
将烧结产物置于烧杯中，加入去离子水并搅拌，在超声频率为50KHz下超声清洗10～20分钟，之后静置30～45分钟，倒掉上层清液；得到下层物A；
步骤15，得下层物B；
在下层物A中加入去离子水并搅拌，在超声频率为50KHz下超声清洗10～20分钟，之后静置30～45分钟，倒掉上层清液；得到下层物B；
步骤16，得下层物C；
在下层物B中加入去离子水并搅拌，在超声频率为50KHz下超声清洗10～20分钟，之后静置30～45分钟，倒掉上层清液；得到下层物C；
步骤17，得Ti3AlC2；
在下层物C中加入去离子水，选择0.45微米的有机滤膜，用真空抽滤方法去除水分，得到滤膜上的Ti3AlC2生成物；
步骤18，制干燥的Ti3AlC2粉；
将Ti3AlC2生成物置于60℃～80℃的真空烘箱中，干燥5～7小时后取出，得到干燥的Ti3AlC2粉末；
步骤二，研磨制Cu粉材；
将质量百分比纯度为99.99％的Cu粉进行研磨，制得粒径小于300目的细Cu粉；
研磨采用球磨机，研磨介质为平均直径小于6mm的玛瑙球，玛瑙球占研磨容器有效容积的50％～60％；研磨时间为2～3h；
步骤三，放电等离子体烧结制层分布的Cu与Ti3AlC成分梯度变化的受电弓滑板材料；
用量：Cu粉材的体积分数用量，记为X；Ti3AlC2粉材的体积分数用量，记为Y；且X+Y＝100；
步骤31，制底层材料；
称取底层(1)材料，并装入模具中，在10～20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－装料模具；
底层材料用量：Cu粉材的体积分数X≥5；Ti3AlC2粉材的体积分数Y≥95；且X+Y＝100；
步骤32，制第一层材料；
继底层(1)材料之后的为第一层(10)材料；
步骤32A，制继底层之后的第一层材料；
称取第一层(10)材料，并装入底层－装料模具中，在10～20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－第一层－装料模具；
第一层材料用量：Cu粉材的体积分数X≥25；Ti3AlC2粉材的体积分数Y≥75；且X+Y＝100；
步骤32B，制第二层材料；
称取第二层(20)材料，并装入模具中，在10～20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－第一层－第二层－装料模具；
第二层材料用量：Cu粉材的体积分数X≥40；Ti3AlC2粉材的体积分数Y≥60；且X+Y＝100；
步骤32C，制第三层材料；
称取第三层(30)材料，并装入中间层－装料模具中，在10～20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的底层－第一层－第二层－第三层－装料模具；
第三层材料用量：Cu粉材的体积分数X≥85；Ti3AlC2粉材的体积分数Y≥15；且X+Y＝100；
步骤33，制顶层材料；
称取顶层(2)材料，并装入底层－第一层－第二层－第三层－装料模具中，在10～20MPa的压力下进行单轴预压，得到压实后的装料模具；
顶层材料用量：Cu粉材的体积分数X≥95；Ti3AlC2粉材的体积分数Y≥5；且X+Y＝100；
步骤34，放电等离子体烧结制受电弓滑板材料；
将装料模具置于放电等离子体烧结设备中进行烧结，烧结气氛为高纯Ar气，升温速率为20℃/min～50℃/min，烧结温度为800℃～1050℃，压力10～30MPa，保温5～20min，降温速率为50℃/min～100℃/min，降温到400℃，之后随炉冷至室温；
烧结后脱模取出，得到成分梯度变化的受电弓滑板材料。
6.根据权利要求4所述的采用放电等离子体烧结工艺制备Cu与Ti3AlC2成分梯度变化的受电弓滑板材料的方法，其特征在于：电阻率值范围从富Cu层到富Ti3AlC2层方向为0.56×10－7Ω·m～40×10－7Ω·m；
各层的热导率值变化从富Cu层到富Ti3AlC2层方向为570W/(m·K)～2W/(m·K)；
显微硬度值的变化从富Cu层到富Ti3AlC2层方向为86HV～125HV，不含顶层。
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