CN116003149A - 一种碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力车辆设备制备技术领域，特别涉及一种碳‑铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法。包括步骤1：碳‑铜纤维混编预制体的制备；步骤2：化学气相沉积；步骤3：沥青浸渍碳化增密；步骤4：高温热处理。本发明提高了铜和碳的三维网络结构连续性。且使得整体一致性得到提高，材料的层间结合性能更高，同时整束混合纤维相较于针刺短纤维更能提高材料的导电性，降低电阻率。预制体在厚度方向上形成较多的贯穿性孔洞，为后续的化学气相沉积和浸渍碳化分别提供裂解气体和沥青进入材料内部的通道，有益于提高预制体在后续工艺过程的致密化效率。显著提高材料内部碳基体的石墨化度，进一步提升材料的导电性能。
Description
技术领域
本发明涉及电力车辆设备制备技术领域，特别涉及一种碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法。
背景技术
中国发明专利CN106585388A公开了一种电力车辆受电弓滑板用复合材料及其制备方法，以碳纤维与铜网构成的三维复合编织体为增强体，以镀铜石墨粉为导电耐磨填料，经CVI沉积、树脂加压浸渍增密，以及高温热处理制备获得的受电弓滑板材料。中国发明专利申请号为200710017899.8公开了一种电力机车用碳/碳受电弓滑板，以针刺无纬布为预制体，经化学气相沉积热解碳后，再通过树脂浸渍-碳化，以及高温石墨化得到C/C复合材料。中国发明专利申请号201510909260.5公开了一种电力机车用金属型C/C复合材料碳滑条，以将单层0°无纬碳布，碳纤维网胎、石墨粉、铜材构成了碳纤维和铜网三维整体毡为预制体，经化学气相沉积热解碳后，再通过树脂浸渍-碳化工艺得到C/C-Cu复合材料。中国发明专利CN 103192718B公开了一种受电弓滑板用复合材料及其制备方法，采用碳纤维与铜丝的三维编织体，经化学气相沉积和树脂浸渍-碳化工艺制备的碳滑条。以上方法制备的受电弓碳滑板材料机械强度较高，冲击韧性好，但仍存在层与层间铜材料的连续性较低，材料整体的均匀性、导电性能以及磨损率待提高等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种材料层间结合性能高、铜和碳的三维网络结构连续性高、致密化效率高以及导电性能高的碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：碳-铜纤维混编预制体的制备；
采用无捻聚丙烯腈长碳纤维丝和铜丝分别制备碳-铜混合纤维布以及碳-铜混合纤维束，由单层0°碳-铜混合纤维布，碳纤维网胎、单层90°碳-铜混合纤维布、碳纤维网胎采用碳-铜混合纤维束整体穿刺结合的方法制成碳-铜三维穿刺混编预制体；
步骤2：化学气相沉积；
采用碳源气体和稀释气体，按体积比对碳-铜三维穿刺混编预制体进行化学气相沉积；
步骤3：沥青浸渍碳化增密；
将沉积有热解碳的碳-铜三维穿刺混编预制体置于沥青浸渍液中，加压浸渍处理，然后进行碳化处理；
步骤4：高温热处理
将浸渍-碳化后的复合材料在惰性气体气氛保护下，进行高温热处理，得到碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料。
在本发明中，所述碳-铜三维穿刺混编预制体中的铜丝质量占比为25％～50％，碳纤维质量占比为50％～75％。
在本发明中，所述碳源气体为丙烯、丙烷、天然气中的一种或多种。
在本发明中，所述稀释气体为氮气、氢气中的一种或多种。
在本发明中，所述体积比为5:1～1:1。
在本发明中，所述化学气相沉积的沉积温度为900℃～1050℃，沉积时间为100～300h。
在本发明中，所述沥青浸渍液的温度为200～400℃，加压浸渍处理时的压强为4～8MPa，浸渍时间为1～3h。
在本发明中，所述碳化处理时的碳化温度为900～1000℃。
在本发明中，所述惰性气体为氮气。
在本发明中，所述高温热处理的温度为900～1000℃，时间为2～4h。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过将碳纤维丝束和铜丝分别制备成碳-铜混合纤维布以及碳-铜混合纤维束，在传统碳纤维三维针刺预制体的工艺基础上，改变接力式针刺结合碳布和网胎的方式，在厚度方向上引入整束碳-铜混合纤维贯穿其中，然后采用化学气相沉积、沥青浸渍碳化和高温热处理制备受电弓碳滑板复合材料主要有以下优点：(1)碳-铜混合纤维布和碳-铜混合纤维束制备成型碳-铜三维穿刺混编预制体，整束混合纤维使得铜丝在三维结构中均匀分布，提高了铜和碳的三维网络结构连续性。(2)整束碳-铜混合纤维贯穿材料内部使得整体一致性得到提高，材料的层间结合性能更高，同时整束混合纤维相较于针刺短纤维更能提高材料的导电性，降低电阻率。(3)预制体在厚度方向上形成较多的贯穿性孔洞，为后续的化学气相沉积和浸渍碳化分别提供裂解气体和沥青进入材料内部的通道，有益于提高预制体在后续工艺过程的致密化效率。(4)采用沥青浸渍碳化结合后续高温热处理的方式，可以显著提高材料内部碳基体的石墨化度，进一步提升材料的导电性能。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
本发明的一种碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：碳-铜纤维混编预制体的制备
采用无捻聚丙烯腈长碳纤维丝和铜丝分别制备碳-铜混合纤维布以及碳-铜混合纤维束，由单层0°碳-铜混合纤维布，碳纤维网胎、单层90°碳-铜混合纤维布、碳纤维网胎采用碳-铜混合纤维束整体穿刺结合的方法制成碳-铜三维穿刺混编预制体，其中铜丝质量占比为25％，碳纤维质量占比为75％。
步骤2：化学气相沉积
采用丙烯作为碳源气体，以氮气作为稀释气体，碳源气体和稀释气体的体积比为5:1对碳-铜三维穿刺混编预制体进行化学气相沉积，沉积温度为900℃，沉积时间为200h。
步骤3：沥青浸渍碳化增密
将沉积有热解碳的碳-铜三维穿刺混编预制体置于200℃的沥青浸渍液中，8MPa下加压浸渍处理3h。然后进行碳化处理，碳化温度为900℃。按浸渍-碳化处理的方式循环操作直至得到需要的复合材料。
步骤4：高温热处理
将浸渍-碳化后的复合材料在氮气气氛保护下，于900℃进行高温热处理4h，得到最终的受电弓碳滑板复合材料。
实施例2
一种碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：碳-铜纤维混编预制体的制备
采用无捻聚丙烯腈长碳纤维丝和铜丝分别制备碳-铜混合纤维布以及碳-铜混合纤维束，由单层0°碳-铜混合纤维布，碳纤维网胎、单层90°碳-铜混合纤维布、碳纤维网胎采用碳-铜混合纤维束整体穿刺结合的方法制成碳-铜三维穿刺混编预制体，其中铜丝质量占比为50％，碳纤维质量占比为50％。
步骤2：化学气相沉积
采用天然气作为碳源气体，以氢气作为稀释气体，碳源气体和稀释气体的体积比为1:1对碳-铜三维穿刺混编预制体进行化学气相沉积，沉积温度为1050℃，沉积时间为100h。
步骤3：沥青浸渍碳化增密
将沉积有热解碳的碳-铜三维穿刺混编预制体置于300℃的沥青浸渍液中，4MPa下加压浸渍处理1h。然后进行碳化处理，碳化温度为1000℃。按浸渍-碳化处理的方式循环操作直至得到需要的复合材料。
步骤4：高温热处理将浸渍-碳化后的复合材料在氮气气氛保护下，于1000℃进行高温热处理2h，得到最终的受电弓碳滑板复合材料。
实施例3
一种碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：碳-铜纤维混编预制体的制备
采用无捻聚丙烯腈长碳纤维丝和铜丝分别制备碳-铜混合纤维布以及碳-铜混合纤维束，由单层0°碳-铜混合纤维布，碳纤维网胎、单层90°碳-铜混合纤维布、碳纤维网胎采用碳-铜混合纤维束整体穿刺结合的方法制成碳-铜三维穿刺混编预制体，其中铜丝质量占比为35％，碳纤维质量占比为65％。
步骤2：化学气相沉积
采用丙烷作为碳源气体，以氮气作为稀释气体，碳源气体和稀释气体的体积比为4:1对碳-铜三维穿刺混编预制体进行化学气相沉积，沉积温度为1000℃，沉积时间为300h。
步骤3：沥青浸渍碳化增密
将沉积有热解碳的碳-铜三维穿刺混编预制体置于400℃的沥青浸渍液中，6MPa下加压浸渍处理2h。然后进行碳化处理，碳化温度为950℃。按浸渍-碳化处理的方式循环操作直至得到需要的复合材料。
步骤4：高温热处理将浸渍-碳化后的复合材料在氮气气氛保护下，于950℃进行高温热处理3h，得到最终的受电弓碳滑板复合材料。
实施例4
一种碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：碳-铜纤维混编预制体的制备
采用无捻聚丙烯腈长碳纤维丝和铜丝分别制备碳-铜混合纤维布以及碳-铜混合纤维束，由单层0°碳-铜混合纤维布，碳纤维网胎、单层90°碳-铜混合纤维布、碳纤维网胎采用碳-铜混合纤维束整体穿刺结合的方法制成碳-铜三维穿刺混编预制体，其中铜丝质量占比为45％，碳纤维质量占比为55％。
步骤2：化学气相沉积
采用丙烯、天然气作为碳源气体，以氮气、氢气作为稀释气体，碳源气体和稀释气体的体积比为3:1或2:1对碳-铜三维穿刺混编预制体进行化学气相沉积，沉积温度为1000℃，沉积时间为150h。
步骤3：沥青浸渍碳化增密
将沉积有热解碳的碳-铜三维穿刺混编预制体置于300℃的沥青浸渍液中，7MPa下加压浸渍处理2h。然后进行碳化处理，碳化温度为1000℃。按浸渍-碳化处理的方式循环操作直至得到需要的复合材料。
步骤4：高温热处理
将浸渍-碳化后的复合材料在氮气气氛保护下，于1000℃进行高温热处理4h，得到最终的受电弓碳滑板复合材料。
对比例1：中国发明专利CN106585388A公开了一种电力车辆受电弓滑板用复合材料及其制备方法，其电阻率为3.2μΩ·m，经测试，其抗压强度为195MPa、抗折强度为146MPa，肖氏硬度为90，HP34401A载流量试验台上进行载流摩擦磨损试验，实验电流为500A，载荷为70N，速度为300km/h。重量磨耗比为195g/万机车公里，对接触线磨耗比0.012mm2/万机车公里。
对比例2：中国发明专利申请号200710017899.8公开了一种电力机车用碳/碳受电弓滑板，炭/炭滑板的压缩强度为322MPa、拉伸强度为54.4MPa、冲击韧性为1.19J/cm2。本发明采用先进的炭/炭复合材料致密技术，化学气相沉积和树脂浸渍-炭化相结合的致密工艺，制得密度>1.70g/cm3的受电弓滑板。
对比例3：中国发明专利申请号为201510909260.5，公开了一种电力机车用金属型C/C复合材料碳滑条，其数据如下
对比例4：中国发明专利CN 103192718B公开了一种受电弓滑板用复合材料及其制备方法，其制得的Cf/Cu-C复合材料密度为1.96g/cm3，电阻率为5.67μΩ/m，抗压强度为183Mpa、抗弯强度为132Mpa，洛氏硬度为58HRC，在自制摩擦磨损机上进行载流摩擦磨损试验，测得其最高电弧高度为2mm，磨损量为0.1785g，载流摩擦磨损率为0.5*10-6g/(m*N)。
而通过本发明的实施例1-4制备而得的受电弓碳滑板复合材料，申请人对其基础性能和磨损性能进行测试，测试得到的数据如下表1和表2。
表1：实施例1-4制备而得的受电弓碳滑板复合材料的基础性能表
表2：实施例1-4制备而得的受电弓碳滑板复合材料的磨损性能表
由表1和表2可知，本发明制备而得的受电弓碳滑板复合材料相对于对比例1来说，其压缩强度明显高于对比例1，抗折强度也均大于对比例1，电阻率就实施例1的电阻率与对比例1相同，其余均小于对比例1。
相对于对比例2，其压缩强度低于对比例2，冲击韧性实施例1大于对比例2，而其余均小于对比例2，但其密度均远远大于对比例2。
相对于对比例3，其电阻率部分大于对比例3，部分小于对比例3，而密度，虽然对比例3的部分实施例密度较大，但是其波动较大，没有本发明的稳定性高。
相对于对比例4，其密度远远大于对比例4，电阻率小于对比例4的电阻率，抗压强度低于本发明的实施例1-4，弯曲强度则是本发明的实施例2与之相差无几，其余均高于对比例4的弯曲强度。
以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：碳-铜纤维混编预制体的制备；
采用无捻聚丙烯腈长碳纤维丝和铜丝分别制备碳-铜混合纤维布以及碳-铜混合纤维束，由单层0°碳-铜混合纤维布，碳纤维网胎、单层90°碳-铜混合纤维布、碳纤维网胎采用碳-铜混合纤维束整体穿刺结合的方法制成碳-铜三维穿刺混编预制体；
步骤2：化学气相沉积；
采用碳源气体和稀释气体，按体积比对碳-铜三维穿刺混编预制体进行化学气相沉积；
步骤3：沥青浸渍碳化增密；
将沉积有热解碳的碳-铜三维穿刺混编预制体置于沥青浸渍液中，加压浸渍处理，然后进行碳化处理；
步骤4：高温热处理
将浸渍-碳化后的复合材料在惰性气体气氛保护下，进行高温热处理，得到碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：在所述碳-铜三维穿刺混编预制体中，铜丝质量占比为25％～50％，碳纤维质量占比为50％～75％。
3.根据权利要求1所述的碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：所述碳源气体为丙烯、天然气、丙烷中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：所述稀释气体为氮气、氢气中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：所述体积比为5:1～1:1。
6.根据权利要求1所述的碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：所述化学气相沉积的沉积温度为900℃～1050℃，沉积时间为100～300h。
7.根据权利要求1所述的碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：所述沥青浸渍液的温度为200～400℃，加压浸渍处理时的压强为4～8MPa，浸渍时间为1～3h。
8.根据权利要求1所述的碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：所述碳化处理时的碳化温度为900～1000℃。
9.根据权利要求1所述的碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：所述惰性气体为氮气。
10.根据权利要求1所述的碳-铜纤维混编受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：所述高温热处理的温度为900～1000℃，时间为2～4h。
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- 2022-12-19 CN CN202211631109.6A patent/CN116003149A/zh active Pending
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