CN108422868A - 一种受电弓滑板用碳纤维复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种受电弓滑板用碳纤维复合材料，包括碳纤维布、热固性改性酚醛树脂、石墨粉、短切碳纤维、铜纤维、KH550偶联剂和丁腈橡胶，其制备方法包括浸料、共混、模压、浸渍和固化等步骤；本发明的有益效果是：本发明以碳纤维布、酚醛树脂、丁腈橡胶和石墨粉作为连续相，以短切碳纤维和铜纤维作为增强相制备碳纤维复合材料，该复合材料不含铜网层，减少了复合材料内部的层间结构，避免受电弓滑板在摩擦时出现层间开裂的情况，使用KH550偶联剂可以使体系中的有机物与碳纤维偶联，形成体型结构，增加碳纤维复合材料的强度以及在摩擦时的稳定性，本发明组分较少，制备工艺简单，成本低，适于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料领域，尤其涉及一种受电弓滑板用碳纤维复合材料及制备方法。
背景技术
电力机车是一种现代化的铁路运输工具，与内燃机、蒸汽机车牵引的铁路运输工具相比，具有经济、高速重载、节能及无污染等优点。如今高速列车时速可达390km/h，为保证列车的稳定运行，电力机车的受电弓滑板应为兼具高强度、高韧性、高导电导热、低电阻、耐磨以及自润滑性能于一体的滑动电接触材料。受电弓滑板和导线构成一对机械与电气耦合的特殊摩擦副，其受流性能是确保机车载重运行的关键。
发达国家对于受电弓滑板材料的研究历史悠久，英国、美国、德国以及日本等国家在受电弓滑板材料的理论研究以及应用研究等方面均取得了较先进的成果。受电弓滑板经历数十年的发展，经历了金属滑板、粉末冶金滑板、碳系滑板、复合滑板和导电陶瓷滑板等阶段。
金属滑板具有制备工艺相对简单、成本较低、制品冲击强度高、导电性能优异、集电容量较大、寿命较长、引发弓网故障概率小和易于检修等优点，但纯金属滑板无自润滑性能，其材质与铜/铝导线材质接近，与接触导线粘着效应明显，但会对接触导线造成严重磨损，从而导致接触网导线迅速磨耗和频繁更换。根据国标TB/T2809-2005《电气化铁路用铜及铜合金接触线》的规定，我国的接触导线主要选用铜、铜-铝合金以及铝合金材质，其中以铜导线为主，铁道部规定的受电弓滑板选用原则是首先要保护网线，其次才考虑滑板的使用寿命。
粉末冶金滑板主要材质是金属导体，与导线材质相似，虽然使用中添加了润滑组分但其自润滑性能仍然较差，对导线磨损较严重。另外，粉末冶金滑板的抗电弧能力弱，尤其在离线或触线的瞬间，易出现电弧，将滑板烧熔或将网线烧熔，造成断线、粘连，形成凹凸不平和毛刺。
浸金属炭滑板的制备是在高温高压下向碳基体中浸渍熔融金属，目的是提高炭滑板机械强度、导电导热率等性能。浸金属滑板具有炭滑板和金属滑板的优点，既有粉末冶金滑板机械强度高的特点，又有纯炭滑板对导线磨损率低、灭弧性能强的优点。但因金属的浸渍存在不均匀性，金属在碳基体中很难形成三维网络结构，故其导电导热性能、抗冲击能力仍然较差，相对强度较低，运行过程中容易出现掉块现象，容易导致弓网事故。
纯碳滑板的机械强度低，其抗折强度通常在30-40MPa之间，抗压强度在60-80MPa之间，因此，在使用过程中容易发生折断、碎裂，造成滑板失效。在雨季和潮湿地区，易局部拉沟，出现弓网事故。另外，碳滑板固有电阻大，集电容量小，导致接触区温度偏高，容易引起导线过热氧化腐蚀，烧成麻坑，加速导线磨损，降低导线的使用寿命。同时，由于生产时容易产生各种波动因素，使得使用性能不稳定，容易发生偏磨，尤其是在钢铝导线以及铜、钢铝混架线区域，纯碳滑板的磨耗会剧增，折断和偏磨现象也较为严重。
复合材料滑板有纯碳滑板优良的自润性，还可以添加增强相来提高滑板的抗折强度和抗冲击性，具有优异的综合性能，是近年来广泛研究的滑板材料。该滑板具有质轻、抗冲击性能好、自润性以及耐磨减摩性能，应用前景广泛。但是，传统的碳纤维滑板通常采用碳布增强树脂基复合材料或者短切碳纤维增强树脂基复合材料。中国专利CN201710203611公开了一种镀银碳纤维增强碳基受电弓滑板，类似于大部分的碳纤维受电弓滑板，该申请在镀银碳纤维布上涂覆酚醛树脂、丁腈橡胶、石墨和铜粉等物质的混合物后与铜网经过模压成型制备受电弓滑板。在碳纤维复合材料中使用大量铜网，会导致受电弓在载流摩擦中容易出现层间开裂，使得受电弓抗冲击性能，抗弯折强度均降低，在磨损过程中存在局部磨损不均匀、稳定性差等情况，导致该类碳纤维复合材料受电弓滑板不能在电力机车上广泛应用。此外，使用铜网的碳纤维复合材料需长时间的高温模压才能成型，制备工艺复杂、繁琐，消耗大。
发明内容
本发明针对现有碳纤维复合材料受电弓滑板存在层间开裂，耐磨性和稳定性差，制备工艺复杂的问题，提供一种受电弓滑板用碳纤维复合材料及制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种受电弓滑板用碳纤维复合材料，其特征在于，按重量份数计，包括以下组分：
碳纤维布20-50份、热固性改性酚醛树脂40-70份、石墨粉20-40份、短切碳纤维10-20份、铜纤维10-15份、KH550偶联剂5-10份、丁腈橡胶15-30份。
所述碳纤维布为由6K或12K连续的碳纤维编制成的平纹织物。
所述热固性改性酚醛树脂为聚酰亚胺改性酚醛树脂、环氧改性酚醛树脂、二甲苯改性酚醛树脂中的一种。
所述短切碳纤维长度为4-30mm，所述铜纤维长度为1-2cm。
本发明还公开了上述受电弓滑板用碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤，
1)碳纤维布预浸料制备：按重量份称取KH550偶联剂、石墨粉和热固性改性酚醛树脂，将KH550偶联剂、一半的石墨粉和一半的热固性改性酚醛树脂一起溶于乙醇中，均匀涂覆在碳纤维布上，40℃烘干，裁剪成模具形状；
2)短切碳纤维共混物制备：按重量份称取各组分，将步骤1)另一半热固性改性酚醛树脂、另一半石墨粉和丁腈橡胶溶于乙醇中，搅拌均匀后与短切碳纤维、铜纤维共混，40℃烘干；
3)复合材料胚体制备：将步骤1)所得碳纤维布预浸料和步骤2)所得短切碳纤维共混物依次铺入模腔中，用热压机90-110℃预热5-15min后，加压至20-80MPa，升温至140-190℃加压固化30s，然后减压至常压以释放内应力，重新加压至20-80MPa，升温至200-220℃，30-90min后逐渐降至常温；
4)浸渍处理：将复合材料胚体放置在OTL1200气氛管式炉中，在氮气气氛保护下升温至400℃后缓慢升温到800℃，焙烧1-2h后取出，再置入空的浸渍罐中，浸渍罐与物料罐通过进料阀链接，物料罐中盛有60℃的酚醛树脂的乙醇溶液作为浸渍液，先关闭进料阀，将浸渍罐抽真空至-0.09MPa，打开进料阀将浸渍液抽进浸渍罐中，再关闭进料阀，向浸渍罐中充入氮气至压力为1-1.2MPa，保温保压1h后取出；
5)固化处理：将浸渍后的复合材料胚体在150-180℃下烘干固化；
6)成型：按顺序重复步骤4)和步骤5)三次，即制得碳纤维复合材料。
本发明的有益效果是：本发明以碳纤维布、酚醛树脂、丁腈橡胶和石墨粉作为连续相，以短切碳纤维和铜纤维作为增强相制备碳纤维复合材料，该复合材料不含铜网层，减少了复合材料内部的层间结构，避免受电弓滑板在摩擦时出现层间开裂的情况；使用KH550偶联剂可以使体系中的有机物与碳纤维偶联，形成体型结构，增加碳纤维复合材料的强度以及在摩擦时的稳定性；本发明在被用作制备受电弓滑板时，碳纤维布一侧接触网线，碳纤维本身具有自润滑性和连续性，磨损脱落均匀，不会出现偏磨，有效保护网线；体系中的石墨粉、短切碳纤维和铜纤维分散均匀，导电性强，不会出现过热现象；本发明组分较少，制备工艺简单，成本低，适于工业化生产。
进一步，所述碳纤维布在涂覆前、短切碳纤维在共混前均进行气相沉积纳米碳管处理，处理步骤为：在碳纤维布和短切碳纤维表面均匀涂覆镍纳米颗粒后，分别平铺在碳板上，置入CVD立式炉内，氮气保护升温至300℃，恒温20min后抽真空，通入乙炔和氢气的混合气体2-4h后，改为氮气流并缓慢降温至室温，置入无水乙醇中超声洗涤后烘干即制得表面生长纳米碳管的碳纤维布或者短切碳纤维。
本发明采用上述进一步技术特征的有益效果是：碳纤维布和短切碳纤维表面气相沉积纳米碳管可减少碳纤维布和涂覆物之间的层间结构以及增加短切碳纤维和连续相之间的相互作用，增强碳纤维复合材料的强度，同时，纳米碳管具有导电性，进一步增加碳纤维复合材料的导电能力。
附图说明
图1为本发明受电弓滑板用碳纤维表面形貌图；
图2为实施例1受电弓滑板用碳纤维复合材料的表面形貌图；
图3为现有受电弓滑板用含铜网的碳纤维复合材料的表面形貌图；
图4为实施例2受电弓滑板用碳纤维复合材料的冲击断面形貌图；
图5为实施例3受电弓滑板用碳纤维复合材料的摩损表面形貌图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种受电弓滑板用碳纤维复合材料，按重量份数计，包括以下组分：碳纤维布20份、聚酰亚胺改性酚醛树脂40份、石墨粉20份、短切碳纤维10份、铜纤维10份、KH550偶联剂5份、丁腈橡胶15份。
碳纤维布为由6K连续的碳纤维编制成的平纹织物，短切碳纤维长度为4mm，铜纤维长度为1cm。
实施例2
一种受电弓滑板用碳纤维复合材料，按重量份数计，包括以下组分：碳纤维布35份、环氧改性酚醛树脂55份、石墨粉30份、短切碳纤维15份、铜纤维12份、KH550偶联剂7份、丁腈橡胶22份。
碳纤维布为由12K连续的碳纤维编制成的平纹织物，短切碳纤维长度为17mm，铜纤维长度为1.5cm。
实施例3
一种受电弓滑板用碳纤维复合材料，按重量份数计，包括以下组分：碳纤维布50份、二甲苯改性酚醛树脂70份、石墨粉40份、短切碳纤维20份、铜纤维15份、KH550偶联剂10份、丁腈橡胶30份。
碳纤维布为由12K连续的碳纤维编制成的平纹织物，短切碳纤维长度为30mm，铜纤维长度为2cm。
实施例1和实施例2受电弓滑板用碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：
1)碳纤维布预浸料制备：按重量份称取KH550偶联剂、石墨粉和热固性改性酚醛树脂，将KH550偶联剂、一半的石墨粉和一半的热固性改性酚醛树脂一起溶于乙醇中，均匀涂覆在碳纤维布上，40℃烘干，裁剪成模具形状；
2)短切碳纤维共混物制备：按重量份称取各组分，将步骤1)另一半热固性改性酚醛树脂、另一半石墨粉和丁腈橡胶溶于乙醇中，搅拌均匀后与短切碳纤维、铜纤维共混，40℃烘干；
3)复合材料胚体制备：将步骤1)所得碳纤维布预浸料和步骤2)所得短切碳纤维共混物依次铺入模腔中，用热压机90-110℃预热5-15min后，加压至20-80MPa，升温至140-190℃加压固化30s，然后减压至常压以释放内应力，重新加压至20-80MPa，升温至200-220℃，30-90min后逐渐降至常温；
4)浸渍处理：将复合材料胚体放置在OTL1200气氛管式炉中，在氮气气氛保护下升温至400℃后缓慢升温到800℃，焙烧1-2h后取出，再置入空的浸渍罐中，浸渍罐与物料罐通过进料阀链接，物料罐中盛有60℃的酚醛树脂的乙醇溶液作为浸渍液，先关闭进料阀，将浸渍罐抽真空至-0.09MPa，打开进料阀将浸渍液抽进浸渍罐中，再关闭进料阀，向浸渍罐中充入氮气至压力为1-1.2MPa，保温保压1h后取出；
5)固化处理：将浸渍后的复合材料胚体在150-180℃下烘干固化；
6)成型：按顺序重复步骤4)和步骤5)三次，即制得碳纤维复合材料。
实施例3受电弓滑板用碳纤维复合材料的制备方法与实施例1和2的制备方法仅有以下区别：
所述碳纤维布在涂覆前、短切碳纤维在共混前均进行气相沉积纳米碳管处理，处理步骤为：在碳纤维布和短切碳纤维表面均匀涂覆镍纳米颗粒后，分别平铺在碳板上，置入CVD立式炉内，氮气保护升温至300℃，恒温20min后抽真空，通入乙炔和氢气的混合气体2-4h后，改为氮气流并缓慢降温至室温，置入无水乙醇中超声洗涤后烘干即制得表面生长纳米碳管的碳纤维布或者短切碳纤维。
如图1，碳纤维表面为明显的取向结构，该结构使得碳纤维在纵向方向上具有较强的力学性能；实施例1受电弓滑板用碳纤维复合材料的表面形貌图如图2所示，实施例1碳纤维复合材料具有各向同性的结构特征，该特征使碳纤维复合材料在平面维度上具有均匀的力学性质，没有过多的层间结构，耐磨性好；图3为现有受电弓滑板用含铜网的碳纤维复合材料的表面形貌图，该种碳纤维复合材料中铜网在碳纤维布之下，但铜网仍可见，具有明显的层间结构，在摩擦时铜网之上的碳纤维布很容易脱落而使铜网直接与网线接触，导致网线被严重磨损。
图4为实施例2受电弓滑板用碳纤维复合材料的冲击断面形貌图，可以看出，该碳纤维复合材料内部结构均匀，短切碳纤维和铜纤维在连续相中分布均匀。
将实施例3受电弓滑板用碳纤维复合材料碳纤维布一侧在HST-100型载流磨损试验机进行载流磨损测试，磨损率为4.3×105mm3·N-1·m-1，摩损表面的形貌如图5所示，从图5可以看出，碳纤维复合材料碳纤维布一侧表面颗粒脱落均匀，碳纤维布损坏较小，该碳纤维复合材料具有较强的耐摩擦性能和摩擦稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种受电弓滑板用碳纤维复合材料，其特征在于，按重量份数计，包括以下组分：
碳纤维布20-50份、热固性改性酚醛树脂40-70份、石墨粉20-40份、短切碳纤维10-20份、铜纤维10-15份、KH550偶联剂5-10份、丁腈橡胶15-30份。
2.根据权利要求1所述的受电弓滑板用碳纤维复合材料，其特征在于，所述碳纤维布为由6K或12K连续的碳纤维编制成的平纹织物。
3.根据权利要求1所述的受电弓滑板用碳纤维复合材料，其特征在于，所述热固性改性酚醛树脂为聚酰亚胺改性酚醛树脂、环氧改性酚醛树脂、二甲苯改性酚醛树脂中的一种。
4.根据权利要求1所述的受电弓滑板用碳纤维复合材料，其特征在于，所述短切碳纤维长度为4-30mm，所述铜纤维长度为1-2cm。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的受电弓滑板用碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
1)碳纤维布预浸料制备：按重量份称取KH550偶联剂、石墨粉和热固性改性酚醛树脂，将KH550偶联剂、一半的石墨粉和一半的热固性改性酚醛树脂一起溶于乙醇中，均匀涂覆在碳纤维布上，40℃烘干，裁剪成模具形状；
2)短切碳纤维共混物制备：按重量份称取各组分，将步骤1)另一半热固性改性酚醛树脂、另一半石墨粉和丁腈橡胶溶于乙醇中，搅拌均匀后与短切碳纤维、铜纤维共混，40℃烘干；
3)复合材料胚体制备：将步骤1)所得碳纤维布预浸料和步骤2)所得短切碳纤维共混物依次铺入模腔中，用热压机90-110℃预热5-15min后，加压至20-80MPa，升温至140-190℃加压固化30s，然后减压至常压以释放内应力，重新加压至20-80MPa，升温至200-220℃，30-90min后逐渐降至常温；
4)浸渍处理：将复合材料胚体放置在OTL1200气氛管式炉中，在氮气气氛保护下升温至400℃后缓慢升温到800℃，焙烧1-2h后取出，再置入空的浸渍罐中，浸渍罐与物料罐通过进料阀链接，物料罐中盛有60℃的酚醛树脂的乙醇溶液作为浸渍液，先关闭进料阀，将浸渍罐抽真空至-0.09MPa，打开进料阀将浸渍液抽进浸渍罐中，再关闭进料阀，向浸渍罐中充入氮气至压力为1-1.2MPa，保温保压1h后取出；
5)固化处理：将浸渍后的复合材料胚体在150-180℃下烘干固化；
6)成型：按顺序重复步骤4)和步骤5)三次，即制得碳纤维复合材料。
6.根据权利要求5所述的受电弓滑板用碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维布在涂覆前、短切碳纤维在共混前均进行气相沉积纳米碳管处理，处理步骤为：在碳纤维布和短切碳纤维表面均匀涂覆镍纳米颗粒后，分别平铺在碳板上，置入CVD立式炉内，氮气保护升温至300℃，恒温20min后抽真空，通入乙炔和氢气的混合气体2-4h后，改为氮气流并缓慢降温至室温，置入无水乙醇中超声洗涤后烘干即制得表面生长纳米碳管的碳纤维布或者短切碳纤维。
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