CN113548904A - 一种用于高速列车受电弓的碳铜复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高速列车受电弓的碳铜复合材料及其制备方法，所述碳铜复合材料包括低密度炭炭复合材料，所述低密度炭炭复合材料化学气相沉积有氮化硼界面层，碳碳复合材料、氮化硼界面层气相渗钛形成碳化钛和氮化钛的混合界面层，之后再气相渗铜形成铜相；氮化硼界面层有良好的力学性能且氮化硼界面层抗氧化能力强，可以有效的增强制品的抗氧化能力；TiN较TiC抗氧化能力强，TiC硬度较TiN高，TiN和TiC混合界面层结合了二者的优点，有利于提高材料的综合性能；TiC和TiN混合界面层与铜相润湿性较好，通过界面层以解决碳铜结合性差的问题。

Description

一种用于高速列车受电弓的碳铜复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电力机车材料制备技术领域，具体涉及一种碳铜复合材料及其制备方法。
背景技术
受电弓滑块是高速列车关键部件，随着高速列车不断地提速，对受电弓性能要求越来越高，如高导电性能、高耐磨性能、高耐冲击性能。目前，现有受电弓滑块多采用C/Cu复合材料，综合了碳材料优良的摩擦磨损性能和铜优良的导电性能，但由于Cu和C两相不润湿，两者界面结合较差，且由于石墨本身力学性能的不足，石墨/Cu复合材料通常存在致密度偏低、导电和力学性能较差的问题。
中国发明专利CN103864429B公开了一种铁路用受电弓滑板材料，采用沥青焦、石墨粉、硬质添加剂炭黑作为原材料制备了具有低电阻率、良好润滑性能的受电弓材料，但这种几乎全部由碳元素制备的复合材料耐磨性很差，制备的受电弓使用寿命较短。
中国发明专利CN102031440B公开了一种铜基受电弓滑板材料及制备方法，该方法将Cu、Ti2AlC、BN、石墨机械地压到一起，虽然其耐磨性和导电性较好，但其抗冲击性能不佳，冲击韧性仅有4.7J/cm2。
中国发明专利CN104692823B利用炭纤维增强碳基复合材料方法制备的C/C复合材料工艺简单，抗弯强度较高，但电阻率较高，不利于能源的节约。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于高速列车受电弓的碳铜复合材料及其制备方法。
一种用于高速列车受电弓的碳铜复合材料，包括低密度炭炭复合材料，所述低密度炭炭复合材料的密度为（0.9-1.0）g/cm3，所述低密度炭炭复合材料沉积有氮化硼界面层，碳碳复合材料、氮化硼界面层气相渗钛形成碳化钛和氮化钛混合界面层，碳碳复合材料的内部孔隙有气相渗铜进入形成铜相。
一种用于高速列车受电弓的碳铜复合材料制备方法，步骤如下：
（A）采用CVD或PIP的方法进行碳增密，将密度为（0.4-0.6）g/cm3的碳纤维预制体增密至（0.9-1.0）g/cm3，形成碳碳复合材料；
（B）将步骤（A）所得制品采用CVD的方法进行氮化硼增密，增密至（1.1-1.2）g/cm3，在碳碳复合材料的内部孔隙表面沉积形成氮化硼界面层；
（C）将步骤（B）所得制品采用气相渗透的方法渗钛、渗铜增密，将钛粉、铜粉混合置于渗透坩埚中，并将坩埚置于高温真空烧结炉中，并抽真空，加热至1750-1950℃，蒸气钛与碳碳复合材料、氮化硼界面层接触反应形成碳化钛界面层、氮化钛界面层，蒸气铜进入碳碳复合材料内部孔隙形成铜相，至密度达3.0g/cm3以上，得到C/C-BN-TiN/TiC-Cu复合材料。
本方法中气相渗透渗钛、渗铜，由于钛熔点较高（1680℃），铜熔点较低（1083℃），随着高温真空烧结炉温度升高，铜粉首先挥发成铜蒸气，铜蒸汽通过支撑平台上的蒸气通道进入反应区，但由于铜蒸气与碳基体、氮化硼界面层润湿性较差，铜蒸气难与碳基体、氮化硼界面层接触反应，铜蒸气会向坩埚内低压处扩散，待随着温度升高至1750-1950℃，钛粉开始挥发成钛蒸气通过支撑平台上的蒸气通道进入反应区与碳基体、氮化硼界面层反应生成TiC和TiN混合界面层，TiC和TiN混合界面层与铜润湿性较好，之后铜蒸气在碳碳复合材料内部孔隙与混合界面层接触反应，在降温过程中不断成核堆积，最终得到C/C-BN-TiN/TiC-Cu复合材料。
进一步，步骤（A）中所述碳纤维预制体为碳纤维以2.5D针刺、2.5D穿刺或3D编织的成型方式成型。
进一步，步骤（A）中所述的CVD法工艺具体为：将碳纤维预制体置于CVD设备中，将纤维预制体固定，沉积温度为800-1300℃，以5-15L/min的流量通入碳源气体，并调节炉内压力为0.5-20kPa，沉积时间为10-60h，所述碳源气体选自甲烷、热解乙醇、丙烷中的任一种。
进一步，步骤（A）中所述的PIP法工艺具体为：将碳纤维预制体进行浸渍-固化-裂解，所述浸渍包括真空浸渍和压力浸渍，具体为：
所述真空浸渍为：将制品放入真空浸渍桶中，抽真空至200Pa以下，保真空0.5-1h后，注入树脂，再保真空1-5h，破真空取出；树脂优选酚醛树脂、呋喃树脂；
所述压力浸渍为：将制品放入压力浸渍罐中，压力浸渍罐内压力为1-6MPa，升温至50-70℃，保温1-5h，随炉降温至室温后取出；
所述固化为：将制品放入鼓风干燥箱中，以5-10℃/min的升温速率升温至120-250℃，保温时间为3-10h，随炉自然冷却至室温后取出；
所述裂解为：将制品放入烧结炉中，炉内为200Pa以下的真空状态或炉内压力为100-200kPa的微正压状态，升温速率5-10℃/min，升温至1000-1500℃，保温2-10h，然后在氩气或氮气氛围下自然冷却至室温。
进一步，步骤（B）中所述CVD法工艺具体为：将步骤1所得的制品置于CVD设备中，沉积温度为600-800℃，氮源气体的流量为0.1-2L/min，所述硼源气体的流量为0.05-0.5L/min，氮源和硼源流量比为2-4:1，稀释气体采用Ar，还原气体为H2，其中硼源气体与H2体积比为1:1-5，硼源气体与Ar体积比为1:5-1：20，沉积时间为5-8h，所述氮源为NH3，所述硼源为BH3、BCl3、BF3、B2H6中一种。
进一步，步骤（C）中所述气相渗透渗钛、渗铜方法工艺具体为：将钛粉、铜粉置于渗透坩埚中，钛粉与铜粉按照质量比为10:90-30:70配置，将步骤（B）所得的制品置于渗透坩埚中带有蒸气通道的支撑平台上，并将坩埚置于高温真空烧结炉中，并抽真空至30Pa以下，加热至1750-1950℃，保持温度时间为60-180min，然后坩埚随炉冷却至室温，制得C/C-BN-TiN/TiC-Cu复合材料。
进一步，步骤（C）中所述气相渗透所用渗透坩埚的坩埚顶盖上放置有硅粉，在高温真空烧结炉高温作用下，硅粉熔融为液相硅，液相硅与材质为石墨的渗透坩埚反应生成碳化硅作为密封层将渗透坩埚密封。
一种用于高速列车受电弓的碳铜复合材料制备方法，步骤如下：
（a）采用CVD或PIP的方法进行碳增密，将密度为（0.4-0.6）g/cm3的碳纤维预制体增密至（0.9-1.0）g/cm3，形成低密度碳碳复合材料；
（b）将步骤（a）所得制品采用CVD的方法进行氮化硼增密，增密至（1.1-1.2）g/cm3，在碳碳复合材料的内部孔隙表面沉积形成氮化硼界面层；
（c）将步骤（b）所得制品采用气相渗透的方法渗钛，将钛粉置于渗透坩埚中，将制品置于渗透坩埚中带有蒸气通道的支撑平台上，并将坩埚置于高温真空石墨炉中，并抽真空，加热至1750-1950℃，蒸气钛与碳碳复合材料、氮化硼界面层接触反应形成碳化钛界面层、氮化钛界面层，直至密度至1.2-1.5g/cm3，得到C/C-BN-TiN/TiC复合材料；
（d）将步骤（c）所得制品采用气相渗透的方法渗铜，将铜粉置于渗透坩埚中，将制品置于渗透坩埚中带有蒸气通道的支撑平台上，并将坩埚置于高温真空烧结炉中，并抽真空，加热至1300-1600℃，蒸气铜进入C/C-BN-TiN/TiC复合材料内部孔隙形成铜相，直至密度至3.0g/cm3以上，得到C/C-BN-TiN/TiC-Cu复合材料。
进一步，步骤（c）中所述气相渗透渗钛方法工艺具体为：将钛粉置于渗透坩埚中，步骤（b）所得制品与钛粉按照质量比1:0.2-1:1配置，将步骤（b）所得的制品置于渗透坩埚中带有蒸气通道的支撑平台上，并将坩埚置于高温真空烧结炉中，并抽真空至30Pa以下，加热至1750-1950℃，保持温度时间为30-120min，然后坩埚随炉冷却至室温，制得C/C-BN-TiN/TiC复合材料。
进一步，步骤（d）中所述气相渗透渗铜方法工艺具体为：将铜粉置于渗透坩埚中，步骤（c）所得制品与铜粉按照质量比为1:5-1:10配置，将步骤（c）所述的制品置于渗透坩埚中带有蒸气通道的支撑平台上，并将坩埚置于高温真空烧结炉中，并抽真空至30Pa以下，加热至1300-1600℃，保持温度时间为30-180min，然后坩埚随炉冷却至室温，制得C/C-BN-TiN/TiC-Cu复合材料。
进一步，步骤（c）和步骤（d）中所述气相渗透所用渗透坩埚的坩埚顶盖上放置有硅粉，在高温真空烧结炉高温作用下，硅粉熔融为液相硅，液相硅与材质为石墨的渗透坩埚反应生成碳化硅作为密封层将渗透坩埚密封。
有益效果：
（1）本发明先在碳碳复合材料内部孔隙的表面沉积氮化硼界面层，氮化硼界面层与碳基体结合牢固，氮化硼界面层有良好的力学性能且氮化硼界面层抗氧化能力强，可以有效的增强制品的抗氧化能力；
（2）本发明气相渗透渗钛、渗铜，钛蒸气通过支撑平台上的蒸气通道进入反应区与碳基体、氮化硼界面层反应生成TiC和TiN混合界面层，TiC和TiN混合界面层与铜润湿性较好，铜蒸气通过支撑平台上的蒸气通道进入反应区与混合界面层接触反应，在降温过程中不断成核堆积，最终得到C/C-BN-TiN/TiC-Cu复合材料。
（3）TiN较TiC抗氧化能力强， TiC硬度较TiN高，TiN和TiC混合界面层结合了二者的优点，有利于提高材料的综合性能。
（4）本发明利用气相渗铜的方法代替传统液相渗铜的方法，可有效解决液相渗铜过程中工件与坩埚的粘连，提高渗透坩埚的使用寿命，降低制备成本。
（5）本发明利用硅粉高温熔化与渗透坩埚生成碳化硅以作为密封层，以尽可能保持气相渗透反应空间中反应气体的分子含量。
附图说明
图1为本申请实施例1中渗透坩埚的结构示意图；
1、渗透坩埚；2、支撑平台；3、支撑板；4、石墨板；5、硅粉；6、钛粉和铜粉；7、待渗透制品；8、蒸气通道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以下结合具体实施例，对本发明做进一步的解释和说明。应当认为，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
实施例1：
一种用于高速列车受电弓的碳铜复合材料制备方法，步骤如下：
（1）采用CVD的方法进行碳增密，以2.5D针刺毡作为碳纤维预制体，将碳纤维预制体置于化学气相沉积炉中，将纤维预制体固定，将化学气相沉积炉抽真空，将化学气相沉积炉升温至1050℃，之后以10L/min的流速通入甲烷，以5L/min的流速通入氮气，并调节炉内压力为0.5KPa，沉积时间为60h，待沉积结束后随炉冷却，将密度为0.4g/cm3的碳纤维预制体增密至1.0g/cm3，形成碳碳复合材料；
（2）将步骤（1）所得制品采用CVD的方法进行BN增密，将步骤（1）所得的制品置于化学气相沉积设备中，沉积温度为600℃，氮源选用NH3，氮源流量以0.6L/min，硼源选用BCl3，硼源流量以0.3L/min，沉积时间为5h，在碳碳复合材料的内部孔隙上沉积形成氮化硼界面层，将制品增密至1.1g/cm3；
（3）将步骤（2）所得制品采用气相渗透的方法渗钛、渗铜增密：将钛粉、铜粉按照质量比1:9混合置于渗透坩埚中，将步骤（2）所得制品置于渗透坩埚的支撑平台上，将坩埚顶盖置于渗铜坩埚的上部，将坩埚置于高温真空烧结炉中，并抽真空至30Pa以下，坩埚随高温真空烧结炉升温加热至1750℃，升温过程中铜蒸气通过支撑平台上的蒸气通道进入反应区，但由于铜蒸气与碳基体、氮化硼界面层润湿性较差，因此，铜蒸气此时并未与制品接触反应，铜蒸气会向坩埚内低压处扩散，直至升温至1750℃时，钛粉开始挥发成钛蒸气通过支撑平台上的蒸气通道进入反应区与碳基体、氮化硼界面层反应生成TiC和TiN混合界面层，之后铜蒸气与混合界面层接触反应，1750℃保温渗透180min，渗透结束后坩埚随炉冷却至室温，最终得到C/C-BN-TiN/TiC-Cu复合材料，所述的复合材料的经气相渗透增密后为3.0g/cm3。
如图所示，步骤（3）中所用渗透坩埚1包括空心圆柱形壁面和与壁面封闭的底面，渗透坩埚的内壁面设有支撑平台2，所述支撑平台2上放置有支撑板3，所述支撑板3上均匀设有若干个蒸气通道8，所述蒸气通道8为格栅或通孔用于蒸气通过，待渗透制品7置于支撑板3上，钛粉和铜粉6置于坩埚内支撑板3下，渗透坩埚1的顶部设有坩埚顶盖，所述坩埚顶盖与支撑板3之间有空隙能够容纳待渗透制品7，所述坩埚顶盖为板状的石墨板4组成，在沉积坩埚1上方置三层石墨板4，每层石墨板4之间铺洒硅粉5，升温过程中，硅粉熔化与渗透坩埚1及石墨板4反应生成碳化硅作为密封面对渗透坩埚1密封，以尽量保证渗透坩埚1内反应空间中反应气体分子含量。
使用该方法制得的一种用于高速列车受电弓的碳铜复合材料，包括低密度炭炭复合材料，所述低密度炭炭复合材料沉积有氮化硼界面层，碳碳复合材料、氮化硼界面层气相渗钛形成碳化钛和氮化钛混合界面层，碳碳复合材料内部孔隙有气相渗铜进入形成的铜相。
实施例2：
一种用于高速列车受电弓的碳铜复合材料制备方法，步骤如下：
（1）采用CVD的方法进行碳增密，以2.5D穿刺毡作为碳纤维预制体，将碳纤维预制体置于化学气相沉积炉中，将碳纤维预制体固定，将化学气相沉积炉抽真空，将化学气相沉积炉升温至1150℃，之后以5g/min的流速通入热解乙醇，以5L/min的流速通入氩气，并调节炉内压力为20KPa，沉积时间为30h，待沉积结束后随炉冷却，将密度为0.5g/cm3的碳纤维预制体增密至0.9g/cm3，形成碳碳复合材料；
（2）将步骤（1）所得制品采用CVD的方法进行BN增密，将步骤（1）所得的制品置于化学气相沉积设备中，沉积温度为800℃，氮源选用NH3，氮源流量以2L/min，硼源选用BCl3，硼源流量以0.5L/min，沉积时间为8h，在碳碳复合材料的碳基体上沉积形成氮化硼界面层，将制品增密至1.2g/cm3；
（3）将步骤（2）所得制品采用气相渗透的方法渗钛、渗铜增密：将钛粉、铜粉按照质量比2:8混合置于渗透坩埚中，将步骤（2）所得制品置于渗透坩埚的带有蒸气通道的支撑平台上，将坩埚顶盖置于渗铜坩埚的上部，所述坩埚顶盖为板状的石墨板组成，在坩埚上方置两层石墨板，两层石墨板之间铺洒硅粉，以尽量保证坩埚内反应空间中反应气体分子含量，将坩埚置于高温真空烧结炉中，并抽真空至30Pa以下，坩埚随高温真空烧结炉升温加热至1800℃，1800℃保温渗透120min，渗透结束后坩埚随炉冷却至室温，最终得到C/C-BN-TiN/TiC-Cu复合材料，所述的复合材料的经气相渗透增密后为3.3g/cm3。
实施例3：
一种用于高速列车受电弓的碳陶复合材料制备方法，步骤如下：
（1）采用CVD的方法进行碳增密，以3D编织毡作为碳纤维预制体，将碳纤维预制体置于化学气相沉积炉中，将碳纤维预制体固定，将化学气相沉积炉抽真空，将化学气相沉积炉升温至1300℃，之后以15L/min的流速通入热解乙醇，以15L/min的流速通入氮气，并调节炉内压力为10KPa，沉积时间为10h，待沉积结束后随炉冷却，将密度为0.6g/cm3的碳纤维预制体增密至0.9g/cm3，形成碳碳复合材料；
（2）将步骤（1）所得制品采用CVD的方法进行BN增密，将步骤（1）所得的制品置于化学气相沉积设备中，沉积温度为700℃，氮源选用NH3，氮源流量以0.15L/min，硼源选用BCl3，硼源流量以0.05L/min，沉积时间为8h，在碳碳复合材料的内部孔隙上沉积形成氮化硼界面层，将制品增密至1.1g/cm3；
（3）将步骤（2）所得制品采用气相渗透的方法渗钛、渗铜增密：将钛粉、铜粉按照质量比3:7混合置于渗透坩埚中，将步骤（2）所得制品置于渗透坩埚的支撑平台上，将坩埚顶盖置于渗铜坩埚的上部，所述坩埚顶盖为板状的石墨板组成，在坩埚上方置两层石墨板，两层石墨板之间铺洒硅粉，将坩埚置于高温真空烧结炉中，并抽真空至30Pa以下，坩埚随高温真空烧结炉升温加热至1900℃，1900℃保温渗透100min，渗透结束后坩埚随炉冷却至室温，最终得到C/C-BN-TiN/TiC-Cu复合材料，所述的复合材料的经气相渗透增密后为3.1g/cm3。
实施例4：
一种用于高速列车受电弓的碳陶复合材料制备方法，步骤如下：
（1） 采用PIP法进行碳增密，以2.5D针刺毡作为碳纤维预制体，将碳纤维预制体进行浸渍-固化-裂解，所述浸渍包括真空浸渍和压力浸渍，将密度为0.4g/cm3的碳纤维预制体增密至1.0g/cm3，形成碳碳复合材料；具体工艺为：
所述真空浸渍为：将制品放入真空浸渍桶中，抽真空至200Pa以下，保真空1h后，注入酚醛树脂，再保真空5h，破真空取出；
所述压力浸渍为：将制品放入压力浸渍罐中，压力浸渍罐内压力为6MPa，升温至50℃，保温5h，随炉降温至室温后取出；
所述固化为：将制品放入鼓风干燥箱中，以5℃/min的升温速率升温至120℃，保温时间为10h，随炉自然冷却至室温后取出；
所述裂解为：将制品放入烧结炉中，炉内为200Pa以下的真空状态，升温速率5℃/min，升温至1200℃，保温8h，然后在氩气氛围下自然冷却至室温；
（2）将步骤（1）所得制品采用CVD的方法进行BN增密，将步骤（1）所得的制品置于化学气相沉积设备中，沉积温度为650℃，氮源选用NH3，氮源流量以0.6L/min，硼源选用BCl3，硼源流量以0.2L/min，沉积时间为8h，在碳碳复合材料的内部孔隙上沉积形成氮化硼界面层，将制品增密至1.1g/cm3；
（3）将步骤（2）所得制品采用气相渗透的方法渗钛、渗铜增密：将钛粉、铜粉按照质量比3:8混合置于渗透坩埚中，将步骤（2）所得制品置于渗透坩埚中带有蒸气通道的支撑平台上，将坩埚顶盖置于渗铜坩埚的上部，所述坩埚顶盖为板状的石墨板组成，在坩埚上方置两层石墨板，两层石墨板之间铺洒硅粉，将坩埚置于高温真空烧结炉中，并抽真空至30Pa以下，坩埚随高温真空烧结炉升温加热至1950℃，1950℃保温渗透80min，渗透结束后坩埚随炉冷却至室温，最终得到C/C-BN-TiN/TiC-Cu复合材料，所述的复合材料的经气相渗透增密后为3.2g/cm3。
实施例5
一种用于高速列车受电弓的碳铜复合材料制备方法，步骤如下：
（1）采用PIP的方法进行碳增密，以2.5D针刺毡作为碳纤维预制体，将碳纤维预制体进行浸渍-固化-裂解，所述浸渍包括真空浸渍和压力浸渍，将密度为0.5g/cm3的碳纤维预制体增密至1.0g/cm3，形成碳碳复合材料；具体工艺为：
所述真空浸渍为：将制品放入真空浸渍桶中，抽真空至200Pa以下，保真空0.5h后，注入呋喃树脂，再保真空2h，破真空取出；
所述压力浸渍为：将制品放入压力浸渍罐中，压力浸渍罐内压力为1MPa，升温至70℃，保温3h，随炉降温至室温后取出；
所述固化为：将制品放入鼓风干燥箱中，以10℃/min的升温速率升温至250℃，保温时间为10h，随炉自然冷却至室温后取出；
所述裂解为：将制品放入烧结炉中，炉内为200Pa以下的真空状态，升温速率5℃/min，升温至1200℃，保温8h，然后在氩气氛围下自然冷却至室温；
（2）将步骤（1）所得制品采用CVD的方法进行氮化硼增密，将步骤（1）所得的制品置于化学气相沉积设备中，沉积温度为700℃，氮源气体的流量为1L/min，硼源气体的流量为0.25L/min，氮源和硼源流量比为4:1，稀释气体采用Ar，还原气体为H2，其中硼源气体和氢气的体积比为1:3，硼源气体与Ar体积比为3:1，沉积时间为5h，氮源为NH3，硼源为B2H6，将步骤（1）所得制品增密至1.2g/cm3，在碳碳复合材料的内部孔隙上沉积形成氮化硼界面层；
（3）将步骤（2）所得制品采用气相渗透的方法渗钛，将钛粉置于渗透坩埚中，步骤（2）所得制品与钛粉按照质量比为0.2:1配置，将步骤（2）所得制品置于渗透坩埚中带有蒸气通道的支撑平台上，将坩埚顶盖置于渗透坩埚的上部，坩埚顶盖由板状的石墨板组成，在坩埚上方置两层石墨板，两层石墨板之间铺洒硅粉，以尽量保证坩埚内反应空间中反应气体分子含量，将坩埚置于高温真空烧结炉中，并抽真空至30Pa以下，加热至1800℃，保持该温度100min，蒸气钛与碳碳复合材料、氮化硼界面层接触反应形成碳化钛、氮化钛混合界面层，然后坩埚随炉冷却至室温，得到C/C-BN-TiC/TiN复合材料，密度为1.2g/cm3，；
（4）将步骤（3）所得制品采用气相渗透的方法渗铜，将铜粉置于渗透坩埚中，步骤（3）所得制品与铜粉按照质量比为1:5配置，将步骤（3）所得制品置于渗透坩埚中带有蒸气通道的支撑平台上，将坩埚顶盖置于渗透坩埚的上部，坩埚顶盖由板状的石墨板组成，在坩埚上方置两层石墨板，两层石墨板之间铺洒硅粉，以尽量保证坩埚内反应空间中反应气体分子含量，将坩埚置于高温真空烧结炉中，并抽真空至30Pa以下，加热至1300℃，保持该温度150 min，然后坩埚随炉冷却至室温，制得C/C-BN-TiC/TiN-Cu复合材料。
实施例6：
一种用于高速列车受电弓的碳铜复合材料制备方法，步骤如下：
（1）采用PIP的方法进行碳增密，以2.5D针刺毡作为碳纤维预制体，将碳纤维预制体进行浸渍-固化-裂解，所述浸渍包括真空浸渍和压力浸渍，将密度为0.4g/cm3的碳纤维预制体增密至1.0g/cm3，形成碳碳复合材料；具体工艺为：
所述真空浸渍为：将制品放入真空浸渍桶中，抽真空至200Pa以下，保真空0.8h后，注入酚醛树脂，再保真空2h，破真空后取出；
所述压力浸渍为：将制品放入压力浸渍罐中，压力浸渍罐内压力为3MPa，升温至60℃，保温4h，随炉降温至室温后取出；
所述固化为：将制品放入鼓风干燥箱中，以10℃/min的升温速率升温至150℃，保温时间为6h，随炉自然冷却至室温后取出；
所述裂解为：将制品放入烧结炉中，炉内为200KPa的微正压状态，升温速率5℃/min，升温至1500℃，保温4h，然后在氩气氛围下自然冷却至室温；
（2）将步骤（1）所得制品采用CVD的方法进行氮化硼增密，将步骤（1）所得的制品置于化学气相沉积设备中，沉积温度为800℃，氮源气体的流量为2L/min，硼源气体的流量为0.5L/min，氮源和硼源流量比为4:1，稀释气体采用Ar，还原气体为H2，其中硼源气体和氢气的体积比为1:5，硼源气体与Ar体积比为2:1，沉积时间为8h，氮源为NH3，硼源为BCl3，将步骤（1）所得制品增密至1.2g/cm3，在碳碳复合材料的内部孔隙上沉积形成氮化硼界面层；
（3）将步骤（2）所得制品采用气相渗透的方法渗钛，将钛粉置于渗透坩埚中，步骤（2）所得制品与钛粉按照质量比为0.2:1配置，将步骤（2）所得制品置于渗透坩埚中带有蒸气通道的支撑平台上，将坩埚顶盖置于渗透坩埚的上部，坩埚顶盖由板状的石墨板组成，在坩埚上方置两层石墨板，两层石墨板之间铺洒硅粉，以尽量保证坩埚内反应空间中反应气体分子含量，将坩埚置于高温真空烧结炉中，并抽真空至30Pa以下，加热至1800℃，保持该温度60min，蒸气钛与碳碳复合材料、氮化硼界面层接触反应形成碳化钛、氮化钛混合界面层，然后坩埚随炉冷却至室温，得到C/C-BN-TiC/TiN复合材料，密度为1.5g/cm3，；
（4）将步骤（3）所得制品采用气相渗透的方法渗铜，将铜粉置于渗透坩埚中，步骤（3）所得制品与铜粉按照质量比为1:5配置，将步骤（3）所得制品置于渗透坩埚中带有蒸气通道的支撑平台上，将坩埚顶盖置于渗透坩埚的上部，坩埚顶盖由板状的石墨板组成，在坩埚上方置两层石墨板，两层石墨板之间铺洒硅粉，以尽量保证坩埚内反应空间中反应气体分子含量，将坩埚置于高温真空烧结炉中，并抽真空至30Pa以下，加热至1600℃，保持该温度30min，然后坩埚随炉冷却至室温，制得C/C-BN-TiC/TiN-Cu复合材料。
对比例1：
与实施例1的区别之处在于：将步骤（1）所得制品直接采用气相渗透的方法渗钛、渗铜增密，钛蒸气与碳碳复合材料反应生产碳化钛界面层，铜蒸气与碳化钛界面层接触形成铜相，最终得到C/C-TiC-Cu复合材料，不再对步骤（1）制得的低密度碳碳复合材料沉积氮化硼界面层。
截取实施例1-6制备所得用于高速列车受电弓的碳铜复合材料随机部位的试样，并按标准测试制备的截取试样的性能，具体为：GJB6475-2008连续纤维增强陶瓷基复合材料常温拉伸性能试验方法测试拉伸强度；JB/T8133.1-2013电炭制品物理化学性能试验方法 第1部分 试样加工技术规范测试测试密度；JB/T8133.8-2013电炭制品物理化学性能试验方法 第8部分 抗压强度测试压缩强度，四探针法电阻率测试测试电导率，结果如表1所示。
Figure 851025DEST_PATH_IMAGE001

Claims (10)

1.一种用于高速列车受电弓的碳铜复合材料，其特征在于：包括低密度炭炭复合材料，所述低密度炭炭复合材料沉积有氮化硼界面层，炭炭复合材料、氮化硼界面层气相渗钛形成碳化钛和氮化钛混合界面层，炭炭复合材料内部孔隙有气相渗铜进入形成铜相。
2.一种用于高速列车受电弓的碳铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤如下：
（A）采用CVD或PIP的方法进行碳增密，将密度为（0.4-0.6）g/cm3的碳纤维预制体增密至（0.9-1.0）g/cm3，形成低密度碳碳复合材料；
（B）将步骤（A）所得制品采用CVD的方法进行氮化硼增密，增密至（1.1-1.2）g/cm3，在碳碳复合材料的内部孔隙表面沉积形成氮化硼界面层；
（C）将步骤（B）所得制品采用气相渗透的方法渗钛、渗铜增密，将钛粉、铜粉混合置于渗透坩埚中，将制品置于渗透坩埚中带有蒸气通道的支撑平台上，并将坩埚置于高温真空烧结炉中，并抽真空，加热至1750-1950℃，蒸气钛与碳碳复合材料、氮化硼界面层接触反应形成碳化钛界面层、氮化钛界面层，蒸气铜进入碳碳复合材料内部孔隙形成铜相，至制品密度达3.0g/cm3以上，得到C/C-BN-TiN/TiC-Cu复合材料。
3.根据权利要求2所述的用于高速列车受电弓的碳铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（C）中所述气相渗透渗钛、渗铜方法工艺具体为：将钛粉、铜粉置于渗透坩埚中，钛粉与铜粉按照质量比为10:90-30:70配置，将步骤（B）所得的制品置于渗透坩埚中带有蒸气通道的支撑平台上，并将坩埚置于高温真空烧结炉中，并抽真空至30Pa以下，加热至1750-1950℃，保持温度时间为60-180min，然后坩埚随炉冷却至室温，制得C/C-BN-TiN/TiC-Cu复合材料。
4.一种用于高速列车受电弓的碳铜复合材料制备方法，其特征在于：步骤如下：
（a）采用CVD或PIP的方法进行碳增密，将密度为（0.4-0.6）g/cm3的碳纤维预制体增密至（0.9-1.0）g/cm3，形成低密度碳碳复合材料；
（b）将步骤（a）所得制品采用CVD的方法进行氮化硼增密，增密至（1.1-1.2）g/cm3，在碳碳复合材料的内部孔隙表面沉积形成氮化硼界面层；
（c）将步骤（b）所得制品采用气相渗透的方法渗钛，将钛粉置于渗透坩埚中，将制品置于渗透坩埚中带有蒸气通道的支撑平台上，并将坩埚置于高温真空石墨炉中，并抽真空，加热至1750-1950℃，蒸气钛与碳碳复合材料、氮化硼界面层接触反应形成碳化钛界面层、氮化钛界面层，直至密度至1.2-1.5g/cm3，得到C/C-BN-TiN/TiC复合材料；
（d）将步骤（c）所得制品采用气相渗透的方法渗铜，将铜粉置于渗透坩埚中，将制品置于渗透坩埚中带有蒸气通道的支撑平台上，并将坩埚置于高温真空烧结炉中，并抽真空，加热至1300-1600℃，蒸气铜进入C/C-BN-TiN/TiC复合材料内部孔隙，直至密度至3.0g/cm3以上，得到C/C-BN-TiN/TiC-Cu复合材料。
5.根据权利要求4所述的用于高速列车受电弓的碳铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（c）中所述气相渗透渗钛方法工艺具体为：将钛粉置于渗透坩埚中，步骤（b）所得制品与钛粉按照质量比1:0.2-1:1配置钛粉，将步骤（b）所得的制品置于渗透坩埚中带有气体通道的支撑平台上，并将坩埚置于高温真空烧结炉中，并抽真空至30Pa以下，加热至1750-1950℃，保持温度时间为30-120min，然后坩埚随炉冷却至室温，制得C/C-BN-TiN/TiC复合材料。
6.根据权利要求4所述的用于高速列车受电弓的碳铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（d）中所述气相渗透渗铜方法工艺具体为：将铜粉置于渗透坩埚中，步骤（c）所得制品与铜粉按照质量比为1:5-1:10配置铜粉，将步骤（c）所述的制品置于渗透坩埚中带有蒸气通道的支撑平台上，并将坩埚置于高温真空烧结炉中，并抽真空至30Pa以下，加热至1300-1600℃，保持温度时间为30-180min，然后坩埚随炉冷却至室温，制得C/C-BN-TiN/TiC-Cu复合材料。
7.根据权利要求2或4所述的用于高速列车受电弓的碳铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（A）或步骤（a）中所述的CVD法工艺具体为：将碳纤维预制体置于CVD设备中，将纤维预制体固定，沉积温度为800-1300℃，以5-15L/min的流量通入碳源气体，并调节炉内压力为0.5-20kPa，沉积时间为10-60h，所述碳源气体选自甲烷、热解乙醇、丙烷中的任一种。
8.根据权利要求2或4所述的用于高速列车受电弓的碳铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（A）或步骤（a）中所述的PIP法工艺具体为：将碳纤维预制体进行浸渍-固化-裂解，所述浸渍包括真空浸渍和压力浸渍，具体为：
所述真空浸渍为：将制品放入真空浸渍桶中，抽真空至200Pa以下，保真空0.5-1h后，注入树脂，再保真空1-5h，破真空取出；
所述压力浸渍为：将制品放入压力浸渍罐中，压力浸渍罐内压力为1-6MPa，升温至50-70℃，保温1-5h，随炉降温至室温后取出；
所述固化为：将制品放入鼓风干燥箱中，以5-10℃/min的升温速率升温至120-250℃，保温时间为3-10h，随炉自然冷却至室温后取出；
所述裂解为：将制品放入烧结炉中，炉内为200Pa以下的真空状态或炉内压力为100-200kPa的微正压状态，升温速率5-10℃/min，升温至1000-1500℃，保温2-10h，然后在氩气或氮气氛围下自然冷却至室温。
9.根据权利要求2或4所述的用于高速列车受电弓的碳铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（B）或步骤（b）中所述CVD法工艺具体为：将步骤1所得的制品置于CVD设备中，沉积温度为600-800℃，氮源气体的流量为0.1-2L/min，所述硼源气体的流量为0.05-0.5L/min，氮源和硼源流量比为2-4:1，稀释气体采用Ar，还原气体为H2，其中硼源气体与H2体积比为1:1-5，硼源气体与Ar体积比为1:5-1：20，沉积时间为5-8h，所述氮源为NH3，所述硼源为BH3、BCl3、BF3、B2H6中一种。
10.根据权利要求2或4所述的用于高速列车受电弓的碳铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（C）中所述气相渗透所用渗透坩埚的坩埚顶盖上放置有硅粉，在高温真空烧结炉高温作用下，硅粉熔融为液相硅，液相硅与材质为石墨的渗透坩埚反应生成碳化硅作为密封层将渗透坩埚密封；步骤（c）和步骤（d）中所述气相渗透所用渗透坩埚的坩埚顶盖上放置有硅粉，在高温真空烧结炉高温作用下，硅粉熔融为液相硅，液相硅与材质为石墨的渗透坩埚反应生成碳化硅作为密封层将渗透坩埚密封。
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