CN116410011A - 一种碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及技术领域电力车辆设备制备，具体是一种碳‑铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料及其制备方法。包括以下步骤：采用紫铜丝通过编织成型的方式制备三维立体多孔铜网；采用聚丙烯氰碳纤维丝对三维立体多孔铜网沿铜丝孔洞间隙从厚度方向进行循环往复穿刺；采用鳞片石墨、树脂进行混合浆料制备；在混合浆料中进行真空浆料浸渍，浸渍完成后在烘箱内进行烘干处理；将浆料浸渍烘干完成后的胚体放入模具在压机上进行模压固化成型并保压，再放入碳化炉进行碳化处理；再置于沥青浸渍液中，先进行加压浸渍处理，再进行碳化处理，按浸渍‑碳化处理的方式循环操作直至得到复合材料；在氮气气氛保护下，进行高温热处理，得到最终的受电弓碳滑板复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及技术领域电力车辆设备制备，具体是一种碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料及其制备方法。
背景技术
中国发明专利CN104926347A公开了一种高速铁路动车组用受电弓滑板复合材料的制备方法，采用短切碳纤维、酚醛树脂粉、沥青焦粉、鳞片石墨粉、铜粉，所称量原料混合均匀后倒入模压机模具中压制成型，坯体先后放入马弗炉中进行预氧化处理、放入碳化炉中进行碳化处理、放入等温化学气相沉积炉中进行致密化处理、放入高温石墨化处理炉中进行石墨化处理，即得到受电弓滑板用复合材料。
中国发明专利CN1468891A公开了一种电力机车受电弓用碳纤维增强碳滑板，采用短切碳纤维为增强材料，石墨、电解铜粉/铜纤维为导电填料，耐高温新型改性酚醛树脂为粘结剂，经热压成型。这种受电弓滑板材料电阻率小、抗冲击性较高，摩擦磨损性能好，对接触导线磨损程度小，但是机械强度不高，且制备工艺复杂。
中国发明专利CN1178745 A公开了一种碳纤维增强碳基复合材料制备的电力机车受电弓滑板，以镀铜碳粉为基体材料，短碳纤维为增强剂，热固性树脂为粘结剂，经冷压和热压固化成型。这种受电弓滑板材料摩擦磨损性能好，对接触导线磨损程度小，但是机械强度也不高。
中国发明专利CN111960839A，发明涉及一种新型低成本浸铜碳/碳复合材料用受电弓滑板的制备，该材料是一种高导电高强度自润滑的材料制备方法，通过将树脂、沥青基短碳纤维、石墨粉与沥青焦粉在醇中混合均匀制备形成浆料，然后通过刷涂的方式将其刷涂于改性碳纤维预浸布上，然后再热压制备C/C多孔体；最后浸渍铜合金；得到浸铜-C/C复合材料。
以上受电弓滑板方案均通过采用模压的方式进行制备，但都存在材料整体力学性能不高，铜在材料中的三维连续性较差，材料均匀性、导电性和耐磨损性能仍需进一步提高的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料及其制备方法，以提高材料整体的力学性能，连续性、均匀性、导电性和耐磨损性。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、三维立体多孔铜网的制备：采用紫铜丝通过编织成型的方式制备三维立体多孔铜网；
步骤2、碳纤维丝往复穿刺：采用聚丙烯氰碳纤维丝对三维立体多孔铜网沿铜丝孔洞间隙从厚度方向进行循环往复穿刺；
步骤3、制备石墨、树脂混合浆料：采用鳞片石墨、树脂进行混合浆料制备；
步骤4、真空浆料浸渍：将制备好的三维立体多孔铜网在石墨、树脂的混合浆料中进行真空浆料浸渍，浸渍完成后在烘箱内进行烘干处理；
步骤5、模压碳化成型：将浆料浸渍烘干完成后的胚体放入模具在压机上进行模压固化成型并保压，待胚体模压固化成型后，放入碳化炉进行碳化处理；
步骤6、沥青浸渍碳化增密：将碳化完成后的胚体置于沥青浸渍液中，先进行加压浸渍处理，然后进行碳化处理，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7、高温热处理：将浸渍-碳化后的复合材料在氮气气氛保护下，进行高温热处理，得到最终的受电弓碳滑板复合材料。
作为优选地，在所述步骤1中，采用的铜丝直径为0.1～1.0mm，三维铜网的密度为0.2～0.5g/cm3。
作为优选地，在所述步骤2中，所述碳纤维为日本东丽T300或T700碳纤维丝，或同级别进口或国产碳纤维，碳纤维丝束大小为1K、3K、6K、12K、24K。
作为优选地，在所述步骤3中，所述鳞片石墨颗粒大小为0.5～5.0μm。
作为优选地，在所述步骤3中，所述树脂为酚醛树脂、呋喃树脂、糠酮树脂中的一种。
作为优选地，在所述步骤3中，所述石墨与树脂混合配置质量比例为石墨：树脂为1:10～6:10，采用滚筒球磨机搅拌均匀，搅拌时间24～48h。
作为优选地，在所述步骤4中，所述浸渍时间1～3h，烘干时，烘箱内温度为40～80℃，烘干时间为12～24h。
作为优选地，在所述步骤5中，所述模压温度为140～200℃，压力为2～10MPa，保压时间为2～6h，碳化温度为700～900℃。
作为优选地，在所述步骤6中，沥青浸渍液浸渍时的温度为200～300℃，压强为4～8Mpa，处理时间为1-3h，碳化温度为900～1000℃。
作为优选地，在所述步骤7中，所述高温热处理的温度为900～1000℃，处理时间为处理2～4h。
一种碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料，由上述的碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料的制备方法制得。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过将铜丝编织成三维立体多孔铜网，采用长碳纤维丝在编织好的铜网孔洞中沿厚度方向进行循环往复穿刺，然后采用模压碳化成型、沥青浸渍碳化增密和高温热处理进行制备，该受电弓碳滑板复合材料主要有以下优点：
(1)采用铜丝编织制备三维立体多孔铜网，使得铜丝在三维结构中均匀分布，提高了铜的三维网络结构连续性，提高了材料整体的导电连续性。
(2)整束碳纤维在三维铜网中往复穿刺，提高了材料整体的力学性能，材料的层间结合强度更高，同时在发挥碳纤维力学性能的同时也保证了材料整体的导电性，降低电阻率。
(3)采用模压碳化成型的方式，可以显著提高材料的致密化效率，同时实现近净尺寸成型，有效的降低了材料损耗，降低成本。
(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
下面将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
一种碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、三维立体多孔铜网的制备：
采用直径为0.1mm的紫铜丝通过编织成型的方式制备三维立体多孔铜网，该三维铜网的密度为0.2g/cm3。
步骤2、碳纤维丝往复穿刺：
采用聚丙烯氰碳纤维丝对三维立体多孔铜网沿铜丝孔洞间隙从厚度方向进行循环往复穿刺，所采用的的碳纤维为日本东丽T300碳纤维丝，碳纤维丝束大小可为1K。
步骤3、制备石墨、树脂混合浆料：
采用鳞片石墨、树脂进行混合浆料制备，鳞片石墨颗粒大小为0.5μm，树脂为酚醛树脂，混合配置质量比例为石墨：树脂为1:10，采用滚筒球磨机搅拌均匀，搅拌时间24h。
步骤4、真空浆料浸渍：
将制备好的碳纤维丝-三维立体多孔铜网在石墨、树脂的混合浆料中进行真空浆料浸渍，浸渍时间1小时。浸渍完成后在烘箱内40℃进行烘干处理，时间12h。
步骤5、模压碳化成型：
将浆料浸渍烘干完成后的胚体放入模具在压机上进行模压固化成型，模压温度140℃，压力2MPa，保压时间2h。胚体模压固化成型后，放入碳化炉进行碳化处理，碳化温度700℃。
步骤6、沥青浸渍碳化增密：
将碳化完成后的胚体置于200℃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7、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2h，得到最终的受电弓碳滑板复合材料。
实施例2
一种碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、三维立体多孔铜网的制备：
采用直径为0.3mm的紫铜丝通过编织成型的方式制备三维立体多孔铜网，该三维铜网的密度为0.3g/cm3。
步骤2、碳纤维丝往复穿刺：
采用聚丙烯氰碳纤维丝对三维立体多孔铜网沿铜丝孔洞间隙从厚度方向进行循环往复穿刺，所采用的的碳纤维为日本东丽T700碳纤维丝，碳纤维丝束大小可为3K。
步骤3、制备石墨、树脂混合浆料：
采用鳞片石墨、树脂进行混合浆料制备。鳞片石墨颗粒大小为1.5μm，树脂为呋喃树脂，混合配置质量比例为石墨：树脂为3:10，采用滚筒球磨机搅拌均匀，搅拌时间32h。
步骤4、真空浆料浸渍：
将制备好的碳纤维丝-三维立体多孔铜网在石墨、树脂的混合浆料中进行真空浆料浸渍，浸渍时间2小时。浸渍完成后在烘箱内60℃进行烘干处理，时间18h。
步骤5、模压碳化成型：
将浆料浸渍烘干完成后的胚体放入模具在压机上进行模压固化成型，模压温度180℃，压力6MPa，保压时间4h。胚体模压固化成型后，放入碳化炉进行碳化处理，碳化温度800℃。
步骤6、沥青浸渍碳化增密：
将碳化完成后的胚体置于250℃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7、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3
一种碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、三维立体多孔铜网的制备：
采用直径为1mm的紫铜丝通过编织成型的方式制备三维立体多孔铜网，该三维铜网的密度为0.5g/cm3。
步骤2、碳纤维丝往复穿刺：
采用聚丙烯氰碳纤维丝对三维立体多孔铜网沿铜丝孔洞间隙从厚度方向进行循环往复穿刺，所采用的的碳纤维为与日本东丽T300或T700碳纤维丝同级别进口纤维，碳纤维丝束大小可为6K。
步骤3、制备石墨、树脂混合浆料：
采用鳞片石墨、树脂进行混合浆料制备。鳞片石墨颗粒大小为5μm，树脂为糠酮树脂，混合配置质量比例为石墨:树脂为6:10，采用滚筒球磨机搅拌均匀，搅拌时间48h。
步骤4、真空浆料浸渍：
将制备好的碳纤维丝-三维立体多孔铜网在石墨、树脂的混合浆料中进行真空浆料浸渍，浸渍时间3小时。浸渍完成后在烘箱内80℃进行烘干处理，时间24h。
步骤5、模压碳化成型：
将浆料浸渍烘干完成后的胚体放入模具在压机上进行模压固化成型，模压温度200℃，压力10MPa，保压时间6h。胚体模压固化成型后，放入碳化炉进行碳化处理，碳化温度900℃。
步骤6、沥青浸渍碳化增密：
将碳化完成后的胚体置于300℃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7、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。
实施例4
一种碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、三维立体多孔铜网的制备：
采用直径为0.8mm的紫铜丝通过编织成型的方式制备三维立体多孔铜网，该三维铜网的密度为0.4g/cm3。
步骤2、碳纤维丝往复穿刺：
采用聚丙烯氰碳纤维丝对三维立体多孔铜网沿铜丝孔洞间隙从厚度方向进行循环往复穿刺，所采用的的碳纤维为与日本东丽T300或T700碳纤维丝同级别国产碳纤维，碳纤维丝束大小可为12K。
步骤3、制备石墨、树脂混合浆料：
采用鳞片石墨、树脂进行混合浆料制备。鳞片石墨颗粒大小为0.2μm，树脂为酚醛树脂，混合配置质量比例为石墨：树脂为3:10，采用滚筒球磨机搅拌均匀，搅拌时间40h。
步骤4、真空浆料浸渍：
将制备好的碳纤维丝-三维立体多孔铜网在石墨、树脂的混合浆料中进行真空浆料浸渍，浸渍时间2小时。浸渍完成后在烘箱内70℃进行烘干处理，时间20h。
步骤5、模压碳化成型：
将浆料浸渍烘干完成后的胚体放入模具在压机上进行模压固化成型，模压温度190℃，压力8MPa，保压时间5h。胚体模压固化成型后，放入碳化炉进行碳化处理，碳化温度800℃。
步骤6、沥青浸渍碳化增密：
将碳化完成后的胚体置于250℃的沥青浸渍液中，7MPa下加压浸渍处理3h。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7、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5
一种碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、三维立体多孔铜网的制备：
采用直径为0.8mm的紫铜丝通过编织成型的方式制备三维立体多孔铜网，该三维铜网的密度为0.5g/cm3。
步骤2、碳纤维丝往复穿刺：
采用聚丙烯氰碳纤维丝对三维立体多孔铜网沿铜丝孔洞间隙从厚度方向进行循环往复穿刺，所采用的的碳纤维为与日本东丽T300或T700碳纤维丝同级别进口碳纤维，碳纤维丝束大小为24K。
步骤3、制备石墨、树脂混合浆料：
采用鳞片石墨、树脂进行混合浆料制备。鳞片石墨颗粒大小为4μm，树脂为呋喃树脂，混合配置质量比例为石墨：树脂为4:10，采用滚筒球磨机搅拌均匀，搅拌时间48h。
步骤4、真空浆料浸渍：
将制备好的碳纤维丝-三维立体多孔铜网在石墨、树脂的混合浆料中进行真空浆料浸渍，浸渍时间3小时。浸渍完成后在烘箱内80℃进行烘干处理，时间12h。
步骤5、模压碳化成型：
将浆料浸渍烘干完成后的胚体放入模具在压机上进行模压固化成型，模压温度200℃，压力10MPa，保压时间4h。胚体模压固化成型后，放入碳化炉进行碳化处理，碳化温度900℃。
步骤6、沥青浸渍碳化增密：
将碳化完成后的胚体置于300℃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7、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。
通过上述实施例1-5的方法制得而得的受电弓碳滑板复合材料，申请人对其密度、电阻率、冲击韧性、滑板高度磨耗比、滑板重量磨耗比进行检测，其测得的性能如表1所示；
表1：实施例1-5制备而得的受电弓碳滑板复合材料的基础性能表
由上述表1可知，本发明的实施例1-5制得的受电弓碳滑板复合材料的基础性能明显优于现有技术中的受电弓碳滑板复合材料的性能。
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 (11)
1.一种碳-铜纤维模压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、三维立体多孔铜网的制备：采用紫铜丝通过编织成型的方式制备三维立体多孔铜网；
步骤2、碳纤维丝往复穿刺：采用聚丙烯氰碳纤维丝对三维立体多孔铜网沿铜丝孔洞间隙从厚度方向进行循环往复穿刺；
步骤3、制备石墨、树脂混合浆料：采用鳞片石墨、树脂进行混合浆料制备；
步骤4、真空浆料浸渍：将制备好的三维立体多孔铜网在石墨、树脂的混合浆料中进行真空浆料浸渍，浸渍完成后在烘箱内进行烘干处理；
步骤5、模压碳化成型：将浆料浸渍烘干完成后的胚体放入模具在压机上进行模压固化成型并保压，待胚体模压固化成型后，放入碳化炉进行碳化处理；
步骤6、沥青浸渍碳化增密：将碳化完成后的胚体置于沥青浸渍液中，先进行加压浸渍处理，然后进行碳化处理，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7、高温热处理：将浸渍-碳化后的复合材料在氮气气氛保护下，进行高温热处理，得到最终的受电弓碳滑板复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤1中，采用的铜丝直径为0.1～1.0mm，三维铜网的密度为0.2～0.5g/cm3。
3.根据权利要求1所述的碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤2中，所述碳纤维为日本东丽T300或T700碳纤维丝，或同级别进口或国产碳纤维，碳纤维丝束大小为1K、3K、6K、12K、24K。
4.根据权利要求1所述的碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤3中，所述鳞片石墨颗粒大小为0.5～5.0μm。
5.根据权利要求1所述的碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤3中，所述树脂为酚醛树脂、呋喃树脂、糠酮树脂中的一种。
6.根据权利要求1所述的碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤3中，所述石墨与树脂混合配置质量比例为石墨：树脂为1:10～6:10，采用滚筒球磨机搅拌均匀，搅拌时间24～48h。
7.根据权利要求1所述的碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤4中，所述浸渍时间1～3h，烘干时，烘箱内温度为40～80℃，烘干时间为12～24h。
8.根据权利要求1所述的碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤5中，所述模压温度为140～200℃，压力为2～10MPa，保压时间为2～6h，碳化温度为700～900℃。
9.根据权利要求1所述的碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤6中，沥青浸渍液浸渍时的温度为200～300℃，压强为4～8Mpa，处理时间为1-3h，碳化温度为900～1000℃。
10.根据权利要求1所述的碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤7中，所述高温热处理的温度为900～1000℃，处理时间为处理2～4h。
11.一种碳-铜纤维模压受电弓碳滑板复合材料，其特征在于：由权利要求1-10任一项所述的方法制得。
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