CN1061960C - 集电用碳纤维增强碳复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种集电用碳纤维增强碳复合材料及其制备方法，以镀铜碳粉末为基体材料，采用短碳纤维作为增强剂，采用热固性树脂作为粘结剂，经湿态混合或干态混合后进行冷压和(或)热压成型，得到的复合材料可以用于电力机车受电弓滑板、无轨电车受电滑块和其他集电的使用场合。

Description

集电用碳纤维增强碳复合材料及其制备方法

本发明是一种新型的集电用碳纤维增强碳复合材料及其制备方法，可以应用于电力机车受电弓滑板、无轨电车受电滑块和其他集电的使用场合，属化学部复合材料技术领域。

目前在集电方面，使用较多的材料主要有金属材料、粉术冶金材料和碳质材料等。金属集电材料采用铜、钢、铝等制成，具有强度高、韧性好、耐磨性能好、电阻率小等优等，但其耐电弧性能差，对摩擦副材料的磨损太大。目前这类金属集电材料仅适用于强度特别高的应用场合。粉末冶金集电材料主要采用铜基粉或铁基粉为基体，并加其他金属粉和非金属粉压制烧结而成，它机械强度高、韧性好、抗冲击性强，使用中断裂、掉块、偏磨现象很少，但是它对铜摩擦副的磨损非常严重，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，还干扰无线电信号。碳质集电材料润滑性能、减磨性能以及耐电弧性能好，重量轻、噪音小，在与摩擦副接触时在摩擦副上形成一层碱膜，大大改善了对摩擦副的磨损。同时，它具有良好的接触稳定性，对无线电及电视的干扰极小，但是碳质材料的耐磨性能差、机械强度低、易脆、易掉块和断裂，使用寿命低，同时碳质材料的固有电阻大、接触压降较高，还因生产中各种因素的波动，使碳质集电材料性能不均匀。

从检索资料来看，八十年代以来研制了一种新型集电材料：浸金属碳。这是将碳基料在高温高压下浸渍金属，一些金属渗入到碳材料的气孔中，在碳中构成细密的网状结构。这种材料的致密性好，其强度、韧性和耐磨性比基体碳好，热稳定性好，热膨胀率较低，导热率和导电率较高，对导线不熔焊，耐弧性高，接触电阻小。但是，这种材料制造工艺复杂，成本较高，对铜的磨损较大，而且抗冲击性能较差。还有一种日本专利登载的碳～金属复合材料滑动集电材料，这种复合材料以金属纤维、金属粉末、金属丝网或它们的混合物增强碳基体，采用适当的混料方式将增强剂均匀的分布于基体之中，然后进行冷压或热压，再经过高温烧结后得到复合材料。这种材料的机械性能和导电性能都比较好，但如果出现增强剂的损伤，复合材料的导电性能会严重恶化，而且由于金属在碳基体中以比较大的尺寸分布，对铜的磨损比较严重。

本发明的目的就在于针对现有技术中的缺陷，研究提出一种新型的集电复合材料，主要针对铜摩擦副，使这种复合材料能够在保持碳质材料优良的摩擦磨损性能的基础上，提高其机械性能和导电性能。

本发明的技术解决方案为：以镀铜碳材料粉末为基体，采用短碳纤维作为增强剂，采用热固性树脂作为粘结剂，采用湿态混合或干态混合的方法，将原料充分混合，然后进行冷压和(或)热压，得到所需的复合材料。

本发明所使用的镀铜碳粉末基体材料包括镀铜石墨粉和镀铜焦炭粉，镀铜粉末的铜含量在20％～80％，可根据需要进行调整。镀铜粉末的粒度小于0.2mm。碳纤维增强剂采用长度小于5mm、直径小于等于20μm的碳纤维，其用量占总重量的1～25％；粘结剂使用热固性树脂，如酚醛树脂，其用量占总重量的3～25％。

原料的混合根据粘结剂加入状态的不同可分为湿态混合和干态混合。混合过程必须保证各个原料组分之间均匀混合。

复合材料的成型使用冷压和(或)热压工艺。采用冷压还是采用热压，或者采用冷压加热压，可以根据实际需要而定。冷压压力大于等于150 MPa，时间大于等于30秒。冷压成型后可根据材料的使用要求确定是否浸渍树脂，浸渍树脂可提高复合材料的致密度和机械性能，浸渍树脂的压力大于等于0.3 MPa，时间大于等于1小时。热压压力不小于100 MPa，温度50～300℃，保持压力时间大于等于60秒。热压以后可根据需要对材料进行浸渍树脂处理和烧结处理。烧结处理温度50～300℃，时间大于等于5小时。

下面通过几个实施例来进一步说明本发明的技术内容。

实施例1：使用10％碳纤维，5％酚醛树脂和固化剂，其余为镀铜碳质粉末(含30％铜)，采用干态混料方式，在350 MPa的压力下冷压5分钟，然后在170℃的温度下烧结30小时。得到的复合材料的电阻率为5.7μΩm，肖氏硬度48，抗压强度70 MPa。这种材料可用来制造电触点等。

实施例2：使用2％碳纤维，10％酚醛树脂和固化剂，其余为镀铜碳质粉末(含80％铜)，采用干态混料方式，在200 MPa的压力和170℃的温度下热压5分钟。这种复合材料的电阻率为1.75μΩm，肖氏硬度70，抗压强度85 MPa。这种材料可用来制造行车用集电滑轮、滑块等。

实施例3：使用5％碳纤维，22％酚醛树脂和固化剂，其余为镀铜碳质粉末(含55％铜)，采用湿态混料方式，在245 MPa的压力和180℃的温度下热压10分钟。材料的电阻率为15μΩm，肖氏硬度107，抗压强度134 MPa。这种材料可用来制造无轨电车用集电滑块等。

实施例4：使用10％碳纤维，15％酚醛树脂和固化荆，其余为镀铜碳质粉末(含60％铜)，采用湿态混料方式，首先在270 MPa的压力下冷压1.5分钟，然后在270 MPa的压力和180℃的温度下热压7分钟，最后在150℃的温度下烧结20小时。得到的复合材料电阻率为5.8μΩm，抗压强度123 MPa，夏氏冲击值为0.44J/cm2。这种材料可用来制造电力机车用受电弓滑板等。

本发明制备的复合材料具有优异的摩擦磨损性能，对铜摩擦副的磨损程度之小是碳质集电材料所不能达到的，而且与碳质集电材料相比，导电性能和机械性能有了明显提高。使用这种复合材料可以制造综合性能良好的集电零部件。

Claims (5)

1、一种集电用碳纤维增强碳复合材料，其特征在于重量百分比为：作为增强剂的短碳纤维1～25％，作为粘结剂的热固性树脂3～25％，其余为作为基体材料的铜含量为20％～80％的镀铜碳粉末。

2、一种如权利要求1所说的集电用碳纤维增强碳复合材料，其特征在于所说的镀铜碳粉末包括镀铜石墨粉和镀铜焦炭粉，镀铜粉末的粒度小于0.2mm，短碳纤维采用长度小于5mm，直径小于等于20μm的碳纤维，热固性树脂采用酚醛树脂。

3、一种集电用碳纤维增强碳复合材料的制备方法，其特征在于将1～25％的短碳纤维、3～25％的热固性树脂、其余为铜含量为20％～80％的镀铜碳粉末湿态混合或干态混合后，使用冷压和(或)热压成型，冷压压力大于等于150MPa，保持时间大于等于30秒，热压压力不小于100 MPa，温度50～300℃，保持压力时间大于等于60秒。

4、一种如权利要求3所说的集电用碳纤维增强碳复台材料的制备方法，其特征在于冷压以后再浸渍树脂，其压力大于等于0.3 MPa，时间大于等于1小时。

5、一种如权利要求3所说的集电用碳纤维增强碳复合材料的制备方法，其特征在于热压以后再进行烧结处理，其温度为50～300℃，时间大于等于5小时。