CN1281431C - 一种受电弓滑板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新材料技术领域，特别是涉及一种适于铁路电力机车应用的具有层状结构特征的受电弓滑板及其制造方法。该滑板以铜网和碳纤维复合材料为基材并使之相互层间分布，其中碳纤维复合材料以酚醛树脂为基体，短碳纤维作为增强剂，采用湿混或干混方法将原料充分混合，然后与铜网一起进行热压成型。本发明制造的碳纤维复合材料受电弓滑板兼有粉末冶金滑板高力学性能和碳滑板优良的润滑特性以及铜基材料良好的导电性等优点，是一种综合性能优良的受电弓滑板。
Description
技术领域
本发明属于新材料领域，特别是涉及一种适于铁路电力机车应用的具有层状结构特征的碳纤维复合材料受电弓滑板及其制备方法。
背景技术
目前的电力机车受电弓滑板主要有粉末冶金滑板、普通碳滑板和浸渍金属碳滑板。粉末冶金滑板主要以铜粉或铁粉为基体原料，并加其他金属粉末和非金属粉末压制烧结而成，它具有机械强度高、抗冲击等优点，但是它对铜接触网导线的磨损非常严重，而且在使用中易发生电弧，不但增大了机械磨损和电弧磨损，还干扰了无线电信号。普通碳滑板的润滑性能、减磨性能以及耐电弧性能都比较好，重量轻、噪音小，在使用过程中，会在接触网导线上形成一层薄膜，大大改善了对接触网导线的磨损，同时，他还具有良好的接触稳定性，对无线电信号干扰小。但是，碳滑板机械强度低、脆性大、易掉块和断裂，不仅使用寿命低，而且容易引发弓网事故。浸渍金属碳滑板是在高温高压下将普通碳滑板浸渍液体金属，使碳基体中形成细密的金属网，从而保证该材料具有比普通碳滑板高的强度和良好的导电性，但该滑板制备工艺复杂，成本高，性能稳定性较差，而且对铜接触导线的磨损较严重。公开号为CN1178745A的中国专利公开了一种用短碳纤维作增强剂制备的碳—碳复合材料受电弓滑板，虽然解决了滑板对铜导线磨损严重的问题，但抗冲击和抗折强度仍较低。公开号为CN1265429A的中国专利公开了用长碳纤维作增强剂制备了碳铜复合材料受电弓滑板，抗冲击性能有一定程度的改善，但其电阻率仍偏高，不能满足现代电力机车对滑板的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种新型的碳纤维复合材料受电弓滑板及其制备方法。该滑板兼有粉末冶金滑板高力学性能和碳滑板优良的润滑特性以及铜基材料良好的导电性等优点，从而满足现代高速铁路电力机车受电弓滑板的要求。
本发明通过以下方式实现：
一种受电弓滑板，其特征是以铜网和碳纤维复合材料为基材并使之相互层间分布，所使用的铜网用量为滑板总重量的10～60％，保证了滑板具有良好的导电性能，构成铜网的铜纤维直径0.05～3mm，铜网孔直径0.1～10mm。铜网孔径小于0.1mm时，复合材料与铜网结合强度低；铜网孔径大于10mm时，导电性稍差。铜纤维直径小于0.05mm时，导电性稍差；铜纤维直径大于3mm时，界面结合强度低；铜网含量小于10％时，导电性差；铜网含量大于60％时，界面结合强度低。
上述的受电弓滑板，其特征是碳纤维复合材料是以酚醛树脂为基体，碳纤维为增强剂，橡胶、石墨、铜粉、金属纤维、矿物纤维中的至少两种为添加剂。酚醛树脂含量为15～40％，它可将各种组分有效的粘结在一起。碳纤维作为增强剂起着提高力学性能和耐磨性能等作用，其含量为2～30％，长度小于30mm，余为添加剂。
上述受电弓滑板，其特征是在碳纤维复合材料中，各种添加剂所占质量百分比为：橡胶含量为1～10％，橡胶填料起着吸收机械能和提高抗冲击性能的作用；石墨含量为1～10％，起着减小滑板和接触导线磨损的作用；铜粉含量为1～10％，起着一定的导热和导电作用，保证碳纤维复合材料与铜网构成的滑板成为一良好的导体；金属纤维和矿物纤维含量为2～20％，起着提高抗冲击和抗折断性能的作用。
上述的受电弓滑板的制备方法，其特征是采用湿态混合或干态混合的方法，将碳纤维复合材料原料充分进行混合，然后将铜网与碳纤维复合材料原料层间分布装入专用模具中达10～50层，进行热压成型，热压压力不小于30MPa，保持时间不小于300秒，热压温度不小于130℃。成型过程中，碳纤维复合材料充满铜网孔隙，成型后得到的具有层状结构的碳纤维复合材料受电弓滑板保证了铜网与碳纤维复合材料成为结合良好的整体。
上述的受电弓滑板的制备方法，其特征是对热压成型制得的受电弓滑板进行热处理，热处理温度不低于100℃，热处理时间不小于30分钟。
本发明制造的碳纤维复合材料受电弓滑板兼有粉末冶金滑板高力学性能和碳滑板优良的润滑特性以及铜基材料良好的导电性等优点，是现代铁路电力机车所需用的理想受电弓滑板。
具体实施方式：
下面给出本发明的两个最佳实施例。
实施例1：碳纤维复合材料含碳纤维20％，石墨粉15％，丁腈橡胶10％，铜粉5％，钢纤维10％，矿物纤维5％，酚醛树脂25％，混合均匀后将混合料填充在制备滑板的模具中，混合料厚度约3mm，然后铺一层约1mm厚的铜网，共相间分布约30层。在100MPa压力、160℃下热压30分钟，制成的碳纤维复合材料滑板在100℃下后处理30分钟。该滑板密度2.04g.cm-3，电阻率3.4×10-6Ω.m，冲击强度30.2KJ.m-2，弯曲强度150MPa，可见该滑板具有密度低、电阻率较小、抗冲击等优点。经台架试验表明，该滑板各项性能指标优良，满足现代铁路电力机车用受电弓滑板的要求。
实施例2：碳纤维复合材料含碳纤维25％，石墨粉10％，丁腈橡胶8％，铜粉5％，钢纤维12％，矿物纤维5％，酚醛树脂25％，用无水乙醇将上述混合料调成糊状，充分搅拌均匀。然后倒入不锈钢托盘中，放入烘箱，在80℃下烘干1小时，将烘干后的混合料填充在制备滑板的模具中，混合料厚度约4mm，然后铺一层约1mm厚的铜网，共相间分布约25层。在100MPa压力、160℃下热压30分钟，制成的碳纤维复合材料滑板在100℃下后处理30分钟。该滑板密度2.05g.cm-3，电阻率3.8×10-6Ω.m，冲击强度28.6KJ.m-2，弯曲强度130MPa。经台架试验表明，该滑板各项性能指标满足现代铁路电力机车用受电弓滑板的要求。
Claims (5)
1.一种受电弓滑板，其特征是以铜网和碳纤维复合材料为基材并使之相互层间分布，其中铜网孔直径0.1～10mm，构成铜网的铜纤维直径0.05～3mm，铜网含量占总重量的10～60％，余为碳纤维复合材料。
2.根据权利要求1所述的受电弓滑板，其特征是所述的碳纤维复合材料是以酚醛树脂为基体，碳纤维为增强剂，橡胶、石墨、铜粉、金属纤维、矿物纤维中的至少两种为添加剂。
3.根据权利要求1所述的受电弓滑板，其特征是所述的碳纤维复合材料中碳纤维长度小于30mm，各组分的质量百分比为：碳纤维含量2～30％，树脂含量15～40％，余为添加剂。
4.根据权利要求1或2或3所述的受电弓滑板的制备方法，其特征是将碳纤维复合材料原料充分进行湿态混合或干态混合，然后将铜网与碳纤维复合材料原料层间分布达10～50层，进行热压成型，热压压力不小于30MPa，保持时间不小于300秒，热压温度不小于130℃。
5.根据权利要求4所述的受电弓滑板的制备方法，其特征是对热压成型制得的受电弓滑板进行热处理，热处理温度不低于100℃，热处理时间不小于30分钟。
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