CN115612946B - 石墨纤维增强铜基材料、受电弓滑板及电气化交通工具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨纤维增强铜基材料、受电弓滑板及电气化交通工具，属于属于材料领域。高铁等电气化交通工具上的受电弓滑板是受电元件的关键组成部分，受电弓滑板直接与接触网导线接触，在静止或滑动状态下将输电网上的电流引导下来，传输给机车供电系统，来维持电力机车正常运行。受电弓滑板的导电性能、耐磨性能及强度是目前限制高铁提速的最重要因素。因此，本发明提供的石墨纤维增强铜基材料、受电弓滑板及电气化交通工具，可以解决现有列车受电弓滑板机械强度低、冲击韧性差、磨损严重的问题。具体技术方案为，所述石墨纤维增强铜基材料由经过金属化处理后的石墨纤维与铜粉混合、压制、烧结而成。
Description
技术领域
本发明属于材料领域，具体涉及一种石墨纤维增强铜基材料、受电弓滑板及电气化交通工具。
背景技术
高铁等电气化交通工具上的受电弓滑板是受电元件的关键组成部分，受电弓滑板直接与接触网导线接触，在静止或滑动状态下将输电网上的电流引导下来，传输给机车供电系统，来维持电力机车正常运行。受电弓滑板的导电性能、耐磨性能及强度是目前限制高铁提速的最重要因素。
现有技术中受电弓滑板一般采用铜合金制成。在电力机车高速运行时，受电弓滑板在滑动的状态下，从接触导线上获得100-1000A的电流作为机车的供电电力，其工作状态下易发生摩擦损耗。由于受电弓滑板处于高速、载流、高温、润滑性低等较为恶劣的状态下工作，高速电气列车的提速更会进一步缩短受电弓滑板的使用寿命，进而导致受电弓滑板成为机车系统更换最为频繁的部件。
发明内容
本发明提供一种石墨纤维增强铜基材料、使用该材料制成的受电弓滑板及使用该受电弓滑板的电气化交通工具，用于解决现有列车受电弓滑板机械强度低、冲击韧性差、磨损严重的问题。
本发明提供一种石墨纤维增强铜基材料，由经过金属化处理后的石墨纤维与铜粉混合、压制、烧结而成。
优选的，所述金属化处理具体包括：对石墨纤维进行预处理后，放入镀液中进行镀铜。
优选的，所述预处理包括：将石墨纤维置于400-650摄氏度灼烧10-50分钟；
优选的，所述镀液中包含氯化钠和乙二胺四乙酸二钠组成的添加剂。
优选的，所述混合的方式为，将体积百分比为5％-15％的所述金属化处理后的石墨纤维与所述铜粉混合。
优选的，所述混合的方式为，将体积百分比为7.5-15％的所述金属化处理后的石墨纤维与所述铜粉混合。
优选的，所述烧结为真空烧制，温度为760-880摄氏度，保温0.5-3小时；
优选的，所述烧结为真空烧制，温度为820-880摄氏度，保温2小时。
本发明实施例提供一种受电弓滑板，由上述石墨纤维增强铜基材料制成。
本发明实施例还提供一种电气化交通工具，使用上述受电弓滑板。
本发明提供的石墨纤维增强铜基材料增强了铜基体的硬度，同时石墨纤维在摩擦过程中起到润滑作用，降低材料的摩擦因数，因而表面切削痕迹及疲劳剥落坑较少，体积磨损率小，使用石墨纤维增强铜基材料制作的受电弓滑板磨损量小，磨损性能较好。
在本发明中，所述烧结温度和保温时间对所述石墨纤维增强铜基材料的密度及硬度影响较大，在一定范围内升高烧结温度和/或增加保温时间，可以使石墨纤维增强铜基材料的晶粒长大、颗粒间距离变小并使晶界发生移动并越过孔隙，消除材料中孔隙，进而使材料密度、硬度提高，进而解决现有列车受电弓滑板机械强度低、冲击韧性差、磨损严重的问题。
在本发明中，所述石墨纤维增强铜基材料中的石墨纤维添加量在一定范围内增加，可以降低该材料的摩擦因数，同时降低其体积磨损率，进而解决现有列车受电弓滑板机械强度低、冲击韧性差、磨损严重的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中石墨纤维增强铜基材料与铜对比的摩擦磨损形貌图；其中a是未添加石墨纤维的纯铜材料，b是本发明一实施例中的石墨纤维增强铜基材料。
图2是本发明实施例中石墨纤维含量对石墨纤维增强铜基材料的摩擦因数和体积磨损率影响的折线图
图3：本发明实施例中烧结温度和保温时间对石墨纤维增强铜基材料密度影响的折线图
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
本发明中一种石墨纤维增强铜基材料，由经过金属化处理后的石墨纤维与铜粉混合、压制、烧结而成，具体包括：
步骤S1，石墨纤维预处理：
将石墨纤维束置于400-650℃进行高温灼烧氧化，灼烧时间为10-50分钟；
将灼烧后的石墨纤维置于碱性除油剂中水浴60℃加热并超声振荡30分钟，将残留污染物清除，所述碱性除油剂由30g/L的氢氧化钠溶液和10g/L的碳酸钠溶液按1:1配成；
再将石墨纤维置于混合酸液粗化剂中进行粗化，混合酸液由浓硫酸与浓硝酸按体积比为1:1或2:1组成。
步骤S2，镀铜：
将经过预处理的石墨纤维放入镀液中进行镀铜，所述镀液由100g/L的硫酸铜溶液和90-180g/L的浓硫酸溶液配置而成；
步骤S3，混粉：
将体积分数为5vol％的镀铜石墨纤维和铜粉混合，在体积比为1∶1无水乙醇和甘油的混合溶液溶剂中搅拌1h；
将混合后的材料抽滤干后，在球磨罐中球磨1h，所述球磨罐中球料比为1:1或2:1，转速100-150r/min，得到混合粉体。
步骤S4，成型：
将所述混合粉体倒入模具中，采用冷压成型的方式将所述混合粉体压制成型，得到成型样品，压力为100-300MPa；
步骤S5，烧结：
将所述成型样品置于真空热压烧结炉内，分步进行加热并保温，最后随炉冷却；所述烧结炉温为760-880℃；保温时间为0.5-2小时；所述烧结炉的真空度为2.25×10-2Pa。
步骤S6复压烧结
重复所述步骤S4和步骤S5进行复压烧结，得到所述石墨纤维增强铜基材料。
以下通过三个实施例，从制备方法的角度具体说明本发明提供的石墨纤维增强铜基材料。实施例中对部分参数以范围值进行描述，本领域技术人员可以在上述公开范围的基础上经过有限次的实验得出与本发明公开的相同或基本相同的技术效果，因此本发明已得到充分公开。此外，因部分参数以范围值进行描述，本发明对于证明技术效果的实验数据的描述也对应为范围值。
实施例1：
(1)石墨纤维预处理：将规格为M40的石墨纤维束放置于400-520℃的高温环境中进行高温灼烧氧化，灼烧时间为10-30min；接着放置于由氢氧化钠溶液(30g/L)和碳酸钠溶液(10g/L)按1:1配成的碱性除油剂中进行残留污染物的清除，碱性除油剂水浴60℃进行加热，并超声振荡30min；接着放置于浓硫酸与浓硝酸按体积比为1:1配成的混合酸液粗化剂中进行粗化1h；
(2)镀铜：将石墨纤维放入由硫酸铜溶液和浓硫酸按比例配置的镀液中进行镀铜，其中硫酸铜溶液为100g/L，浓硫酸为90g/L；
(3)混粉：先将体积分数为5vol％镀铜石墨纤维和铜粉进行混合，在体积比为1∶1无水乙醇和甘油的混合溶液溶剂中搅拌1h，抽滤干后再在球料比为1:1，转速100r/min的球磨罐中球磨1h；
(4)成型：将混合粉体倒入模具中，采用冷压成型的方式将混粉完成的混合粉体压制成型，其中压力为100-200MPa；
(5)烧结：将成型样品置于真空热压烧结炉内，真空度为2.25x10-2Pa，开始加热，分步进行加热并保温一定的时间，烧结温度控制为760-800℃，并保温时间为0.5h，最后随炉冷却；
(6)复压烧结：将烧结完的样品重复经步骤(4)(5)进行进行复压烧结。
参照现有技术中受电弓滑板的实验方法测试石墨纤维增强铜基受电弓滑板的密度、硬度、导电率、摩擦因数、体积磨损率等，具体测试方法参见GB/T 34572-2017及其引用的标准。硬度的大小体现了复合材料的机械强度，冲击韧性好坏；导电率是衡量导电物质的导电能力好坏的指标，导电率越大则表示导电性能越好。
经过测试，实施例1制成的石墨纤维增强铜基材料样品密度为6.5-6.6g/cm3，石墨纤维增强铜基材料样品硬度为78-85HV，导电率为64％-65.5％IACS(以国标退火纯铜电导率计算)。石墨纤维增强铜基材料的摩擦因数测试为0.28-0.29，体积磨损率测试为0.82-0.83(10-4cm3/m)。
实施例2：
(1)石墨纤维预处理：将规格为M40的石墨纤维束放置于520-580℃的高温环境中进行高温灼烧氧化，灼烧时间为30-50min；接着放置于由氢氧化钠溶液(30g/L)和碳酸钠溶液(10g/L)按1:1配成的碱性除油剂中进行残留污染物的清除，碱性除油剂水浴60℃进行加热，并超声振荡30min；接着放置于浓硫酸与浓硝酸按体积比为2:1配成的混合酸液粗化剂中进行粗化1h；
(2)镀铜：将石墨纤维放入由硫酸铜溶液和浓硫酸按比例配置的镀液中进行镀铜，其中硫酸铜溶液为100g/L，浓硫酸为180g/L；
(3)混粉：先将体积分数为7.5vol％镀铜石墨纤维和铜粉进行混合，在体积比为1∶1无水乙醇和甘油的混合溶液溶剂中搅拌2h，抽滤干后再在球料比为2:1，转速150r/min的球磨罐中球磨1h；
(4)成型：将混合粉体倒入模具中，采用冷压成型的方式将混粉完成的混合粉体压制成型，其中压力为150-250MPa；
(5)烧结：将成型样品置于真空热压烧结炉内，真空度为2.25×10-2Pa开始加热，分步进行加热并保温一定的时间，烧结温度控制为800-850℃，并保温时间为2h，最后随炉冷却；
(6)复压烧结：将烧结完的样品重复经步骤(4)(5)进行进行复压烧结。
参照现有技术中受电弓滑板的实验方法测试石墨纤维增强铜基受电弓滑板的密度、硬度、导电率、摩擦因数、体积磨损率等，具体测试方法参见GB/T 34572-2017及其引用的标准。
经过测试，实施例2制成的石墨纤维增强铜基材料样品，随着烧结温度的升高及保温时间的增加，石墨纤维增强铜基材料发生晶粒长大、颗粒间距离变小以及晶界发生移动并越过孔隙，此时试样中孔隙开始消失造成密度上升，测试密度为6.7-7.2g/cm3；石墨纤维增强铜基材料样品硬度也随着烧结温度的升高开始增加为85-95HV，导电率为65.5％-66.5％IACS(国标退火纯铜电导率)。
结合附图2所示，石墨纤维增强铜基材料的摩擦因数随着石墨纤维加入量的增加，摩擦因数开始下降测试为0.26-0.27，同时石墨纤维增强铜基材料的体积磨损率也开始降低，测试数据为0.68-0.7(10-4cm3/m)。
实施例3：
(1)石墨纤维预处理：将规格为M40的石墨纤维束放置于560-650℃的高温环境中进行高温灼烧氧化，灼烧时间为30-50min；接着放置于由氢氧化钠溶液(30g/L)和碳酸钠溶液(10g/L)按1:1配成的碱性除油剂中进行残留污染物的清除，碱性除油剂水浴60℃进行加热，并超声振荡30min；接着放置于浓硫酸与浓硝酸按体积比为2:1配成的混合酸液粗化剂中进行粗化1h；
(2)镀铜：将石墨纤维放入由硫酸铜溶液和浓硫酸按比例配置的镀液中进行镀铜，其中硫酸铜溶液为100g/L，浓硫酸为180g/L，并加入部分添加剂，添加剂的成分由少量的氯化钠和EDTA-2Na(乙二胺四乙酸二钠)组成；
(3)混粉：先将体积分数为15vol％镀铜石墨纤维和铜粉进行混合，在体积比为1∶1无水乙醇和甘油的混合溶液溶剂中搅拌2h，抽滤干后再在球料比为2:1，转速150r/min的球磨罐中球磨1h；
(4)成型：将混合粉体倒入模具中，采用冷压成型的方式将混粉完成的混合粉体压制成型，其中压力为200-300MPa；
(5)烧结：将成型样品置于真空热压烧结炉内，真空度为2.25×10-2Pa开始加热，分步进行加热并保温一定的时间，烧结温度控制为820-880℃，并保温时间为2h，最后随炉冷却；
(6)复压烧结：将烧结完的样品重复经步骤(4)(5)进行进行复压烧结。
参照现有技术中受电弓滑板的实验方法测试石墨纤维增强铜基受电弓滑板的密度、硬度、导电率、摩擦因数、体积磨损率等，具体测试方法参见GB/T 34572-2017及其引用的标准。
经过测试，实施例3制成的石墨纤维增强铜基材料样品，随着烧结温度的升高及保温时间的增加，石墨纤维增强铜基材料发生晶粒长大、颗粒间距离变小以及晶界发生移动并越过孔隙，此时试样中孔隙开始消失造成先密度上升后下降，并在2h达到密度最大值，测试密度为7.1-7.2g/cm3；石墨纤维增强铜基材料样品硬度也随着烧结温度的升高开始增加为83-95HV，导电率为65％-66.5％IACS(国标退火纯铜电导率)。石墨纤维增强铜基材料的摩擦因数随着石墨纤维加入量的增加，摩擦因数开始出现先降后升，测试为0.27-0.28，同时石墨纤维增强铜基材料的体积磨损率也开始升高，测试为0.7-0.72(10-4cm3/m)。
上述实施例所制成的石墨纤维增强铜基材料的测试数据汇总如下：
除上述3个实施例外，本发明还在实施例1的基础上，对所述石墨纤维增强铜基材料中石墨纤维含量进行调整并测试其对材料摩擦因数和体积磨损率的影响，具体实验数据详见附图2石墨纤维含量分别为0、2.5、5、7.5、10、12.5、15、17.5、20(单位vol％)。因此，附图2折线图中各标记点所代表的实施例均作为本发明的实施例，附图2所展示的技术方案属于本发明公开技术方案的一部分，可以作为后续修改申请文件的依据。
除上述3个实施例外，本发明还在实施例1的基础上，对所述石墨纤维增强铜基材料制备过程中烧结温度和保温时间进行调整并测试其对材料密度的影响，具体实验数据详见附图3。烧结温度分别取760、790、820、850、880摄氏度，保温时间分别取0.5、1、2、3小时。因此，附图3折线图中各标记点所代表的实施例均作为本发明的实施例，附图3中展示的技术方案属于本发明公开技术方案的一部分，可以作为后续修改申请文件的依据。
本发明实施例提供一种受电弓滑板，由上述石墨纤维增强铜基材料制成。
本发明实施例还提供一种电气化交通工具，使用上述受电弓滑板。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
本发明未尽事宜为公知技术。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种石墨纤维增强铜基材料，其特征在于，由经过金属化处理后的石墨纤维与铜粉混合、压制、烧结、复压烧结而成，具体包括：
步骤S1，石墨纤维预处理，包括高温灼烧氧化、除油和粗化，其中高温灼烧氧化温度为400-650℃，灼烧时间为10-50分钟；
步骤S2，镀铜：将经过预处理的石墨纤维放入镀液中进行镀铜，所述镀液由100g/L的硫酸铜溶液和90-180g/L的浓硫酸溶液配置而成；
步骤S3，混粉：将体积百分比为5％-20％的镀铜石墨纤维和铜粉混合，在体积比为1∶1无水乙醇和甘油的混合溶液溶剂中搅拌1h；
将混合后的材料抽滤干后，在球磨罐中球磨1h，所述球磨罐中球料比为1:1或2:1，转速100-150r/min，得到混合粉体；
步骤S4，成型：将所述混合粉体倒入模具中，采用冷压成型的方式将所述混合粉体压制成型，得到成型样品，压力为100-300MPa；
步骤S5，烧结：将所述成型样品置于真空热压烧结炉内，分步进行加热并保温，最后随炉冷却；保温时间为0.5-3小时；所述烧结炉的真空度为2.25×10^(-2)Pa；
步骤S6复压烧结：重复所述步骤S4和步骤S5进行复压烧结，得到石墨纤维增强铜基材料。
2.根据权利要求1所述的石墨纤维增强铜基材料，其特征在于，所述镀液中包含氯化钠和乙二胺四乙酸二钠。
3.根据权利要求1所述的石墨纤维增强铜基材料，其特征在于，所述混合的方式为，将体积百分比为7.5-15％的所述金属化处理后的石墨纤维与所述铜粉混合。
4.根据权利要求1所述的石墨纤维增强铜基材料，其特征在于，所述烧结为真空烧制，温度为760-880摄氏度。
5.根据权利要求1所述的石墨纤维增强铜基材料，其特征在于，所述烧结为真空烧制，温度为820-880摄氏度，保温2小时。
6.一种受电弓滑板，由权利要求1-5任一石墨纤维增强铜基材料制成。
7.一种电气化交通工具，使用如权利要求6所述的受电弓滑板。
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| CN110157999A (zh) * | 2019-05-09 | 2019-08-23 | 李纳 | 一种受电弓滑板用石墨纤维增强铜基复合材料 |
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| Title |
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| 铜基受电弓滑板试件电阻率和磨损性能研究;金永平等;哈尔滨建筑大学学报;35(第04期);第441-446页 * |
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