CN111960839B - 一种高速列车用受电弓滑板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本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。本发明先设计特殊组分的浆料；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。本发明无需进行气相沉积增密；所得产品性能优良，尤其是磨损性能远远优于现有产品。

Description

一种高速列车用受电弓滑板的制备方法
技术领域
本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。
背景技术
截止2020年，我国高速铁路已超3万公里，并不断趋于高速化、电气化，其中高铁组正常时速为300-380km/h，磁悬浮列车平时运行超过400km/h，试验中的高铁线路CIT500最高速度可达605km/h。电力列车高速运行过程中通过受电弓滑板从接触网获得电力，受电弓滑板/接触网***是列车供电***的咽喉部件，其摩擦磨损状况和稳定性对列车的受流状况和安全运行具有重要影响。目前高速电力机车服役中的受电弓滑板主要为碳系复合材料，包括碳滑板和浸金属碳滑板两种。碳系滑板材料具有优良的减摩性能，但耐磨性与韧性不足，易发生崩边、掉块，造成维护成本高。随着列车的提速，现役碳系受电弓滑板材料在机械和耐磨性能方面的缺陷逐渐显现，高强韧耐磨滑板的研制对我国高速电气化铁路建设的至关重要。
Kubota等采用经高温热处理的C/C多孔体为预制体，浸渍铜合金后制得浸铜-C/C复合材料，其抗弯强度为255MPa，电阻率为0.9-2.5μΩm，高速(55.6m/s)载流摩擦过程中起弧能量低，主要磨损形式为磨粒磨损。日本铁道综合技术研究所一直关注C/C复合材料滑板开发，近年提出将浸铜-C/C复合材料作为下一代新型受电弓滑板。国内Zhou、Wu与Liang研究了浸铜-C/C复合材料的铜/碳界面结合与润湿性，关注于复合材料力学性能的提高，其冲击强度可达2.90-5.94J/cm2，电阻率为0.63-11.61μΩm。上述浸铜-C/C复合材料是通过碳纤维针刺编制、热解碳沉积与树脂浸渍炭化制备成型，具有强韧性高、导电性能优良、耐磨性好和不易破损的特点，在受电弓滑板领域具有十分良好的应用前景，但该类型浸铜-C/C复合材的减磨性能不足；当采用在树脂浸渍过程中添加石墨粉，容易导致堵塞，引起复合材料孔隙率高；当利用高温石墨化工艺改善减磨性，常使复合材料力学性能和耐磨性能大幅降低。同时该工艺的制备工艺复杂、成本高，对制备设备要求高，难以实现工业化生产。
发明内容
本发明旨在克服现有浸铜-C/C复合材料高成本问题，提供了一种制备工艺简单、成本较低、性能优越的浸铜-C/C复合材料的制备方法。
本发明一种高速列车用受电弓滑板的制备方法；包括下述步骤：
步骤一刷涂改性碳纤维预浸布
配取树脂、沥青基短碳纤维、石墨粉与沥青焦粉混合均匀得到混合物；所述混合物中，树脂含量为30-80wt％、优选为40-50％，沥青基短碳纤维为0.1-30wt％、优选为15-20％，石墨粉为0.1-28wt％、优选为15-25％，沥青焦为0.1-20wt％、优选为10-15％，将混合物至于醇中，搅拌均匀，得到浆料；然后将浆料均匀刷涂在碳纤维预浸布表面；然后烘干，得到刷涂改性后的碳纤维预浸布；
步骤二热压制备C/C多孔体
将步骤一所得刷涂改性后的碳纤维预浸布并逐层依次叠置压制固化成型，得到初坯；初坯进行炭化处理，而后采用呋喃树脂浸渍、固化与炭化增密，通过控制浸渍/炭化增密次数调控C/C多孔体的孔隙率为15vol％-50vol％；然后将试样转入石墨化炉内升温到2300-2800℃，保温1-2小时，调节试样石墨化度；得到密度为0.8-1.5g/cm3C/C的多孔体；
步骤三浸渍铜合金制备浸铜-C/C复合材料
所述步骤三包括下述两套方案中的至少一种；
方案一为：
将铜粉与金属粉末混合均匀；得到混粉末，将C/C多孔体包埋与混合粉末中并置于烧结炉内；通保护气体，加热至混合粉末出现液相，加低压完成熔渗；所述金属粉末在合金中的原子比为0％-35％；所述金属粉末由Si、Cr、Ti、Mo与Zr元素中的至少一种组成、优选为由Si、Cr、Ti、Mo与Zr元素中的一种或2种元素组成；所述低压的压力为1-5MPa；然后随炉冷却，得到产品；
方案二为：
将铜粉与金属粉末混合均匀；得到混粉末，将混合粉末冷压成坯，得到冷压坯；然后将冷压坯压在C/C多孔体上，转入烧结炉；抽真空加热至冷压坯出现液相；通入保护气体至炉内压力为1-5MPa；保温保压直至完成熔渗；然后随炉冷却，得到产品。
本发明一种高速列车用受电弓滑板的制备方法；步骤一中所述树脂为呋喃树脂和/或酚醛树脂。
本发明一种高速列车用受电弓滑板的制备方法；沥青基短碳纤维的长度为100μm-2mm。
本发明一种高速列车用受电弓滑板的制备方法；石墨粉为鳞片石墨粉，尺寸为30-1000目。
本发明一种高速列车用受电弓滑板的制备方法；沥青焦粉尺寸为30-1000目。
本发明一种高速列车用受电弓滑板的制备方法；碳纤维预浸布通过下述方案制备：将十字交炭纤维(PAN基)布或者单向碳纤维布在第二树脂溶液中浸渍后得到，第二树脂选自纯酚醛树脂、改性酚醛树脂中的一种，预浸布的树脂含量为20-60vol％。
本发明一种高速列车用受电弓滑板的制备方法；步骤一中所述醇优选为乙醇。
本发明一种高速列车用受电弓滑板的制备方法；步骤二中，
压制成型工艺：整个压制过程在平板硫化机上完成。首先施加5-20MPa压力，以速度80℃/h升温到100-110℃，保压45min；然后加压至10-65MPa，以速度为50℃/h，升温到180-200℃，保压3h至树脂完全固化。
树脂浸渍工艺：将试样放入浸渍炉，先抽真空并升温到12℃，后加压1.4-1.6MPa，保持2-3h，使呋喃树脂填充复合材料。然后以12℃/h升温速率升温到120℃，以升温速率为9℃/h升温到190℃，在190℃时保温2h使复合材料固化。
炭化升温工艺为：试样转入炭化炉，通入惰性保护气；室温-200℃，升温速率70-90℃/h；200-650℃，升温速率10-15℃/h；650-850℃升温速率10-20℃/h，炭化温度845-855℃保温1-3h；将炭化坯，重复浸渍、固化炭化与炭化过程，直至C/C多孔体的密度在0.8-1.5g/cm3。
本发明一种高速列车用受电弓滑板的制备方法；在无需气相沉积增密的情况下，得到性能优越的产品。
本发明一种高速列车用受电弓滑板的制备方法；经优化后，所得产品的抗冲击强度分为2.7j～3.3j/cm2、电阻率为4.1～11.3μΩ·m；在50A、速度100km/h、载荷90N条件下，产品的摩擦系数为0.22-0.25；磨损率为4.7-6.9mm/10000km。
本发明一种高速列车用受电弓滑板的制备方法；经进一步优化后，所得产品的抗冲击强度分为3.3j/cm2、电阻率为4.13μΩ·m；在50A、速度100km/h、载荷90N条件下，产品的摩擦系数为0.24；磨损率为4.71mm/10000km。
发明的优点和积极效果
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果体现在：
(1)采用刷涂法添加短沥青基碳纤维、沥青焦与石墨等减摩与增强组元，避免石墨粉添加对树脂浸渍工艺的堵塞影响，提高复合材料致密性；结合石墨化工艺较好的调控浸铜-C/C复合材料的碳组织结构，在不牺牲复合材料耐磨性与力学性能的同时改善复合材料的减摩性能，可以有效改善该类型复合材料的综合性能。
(2)无模具热压法较好调控浸铜-C/C复合材料的碳纤维含量，通过调控碳纤维含量可进一步降低复合材料成本，进而制得成本合理、力学性能优良的滑板材料。
(3)无模具热压法制备C/C多孔体，包埋法制备浸铜-C/C复合材料，可以制备大尺寸样件，同时制备工艺简单易控，制备仪器要求低；
(4)刷涂法制备浸铜-C/C复合材料的成本低，易于实现产业化；
(5)该类型浸铜-C/C复合材料兼具碳纤维的力学性能与耐磨性、铜合金的导电性能、石墨粉与沥青焦与沥青基碳纤维的减摩性能，是综合性能优良的新型受电弓滑板材料。
附图说明
附图1为本发明所设计的工艺流程图；
附图2为实施例1中热压法制备C/C多孔体的宏观与微观组织表征图；
附图3为实施例1所得浸铜-C/C复合材料的宏观像与微观组织表征图；
附图4为实施例1所得浸铜-C/C复合材料的载流摩擦磨损实验后的试样的表征图。
从图1中可以看出本发明所设计工艺的基本流程。
图2中，(a)为压制法制备C/C多孔体的宏观照片；(b)为压制法制备C/C多孔体的金相组织图；从图2中可以看出碳纤维层结合较好，没有出现明显开裂与裂纹。
图3中，(a)为浸铜-C/C复合材料的宏观照片；(b)为浸铜-C/C复合材料的的SEM图；从图3中可以看出复合材料组织结构致密，没有明显空袭与裂纹等缺陷，铜合金与碳基体、碳基体与碳纤维的界面结合较好。
从图4中可以看出摩擦表面光滑，已形成连续的摩擦层。
具体实施方式
实施例一
采用酚醛树脂含量为40vol％的十字交碳纤维预浸炭布。涂料为沥青基短碳纤维、石墨粉、沥青焦粉与酚醛树脂的混合浆料，其中树脂含量为60wt％，沥青基短碳纤维为15wt％、石墨粉为20wt％、沥青焦的质量比5wt％，机械搅拌至均匀分散；其中沥青基短碳纤维的长度为500μm，石墨粉为鳞片石墨粉，尺寸为100目，沥青焦粉尺寸为500目。采用刷涂法将混合浆料均匀地刷涂两次在预浸布表面，升温到80℃至乙醇完全挥发。
刷涂沥青基碳纤维后交替铺层；然后放在平板硫化机在40MPa压力下进行固化成型，压制温度为180℃，保压3h；放入炭化炉进行炭化处理，而后转入浸渍炉，浸渍呋喃树脂，循环两次；进行石墨化处理，温度为2300℃，制备得到C/C多孔体(如图2)。
将铜粉与比例为5％的Ti粉均匀混合，得到混粉末，将C/C多孔体包埋与混合粉末中并置于烧结炉内；通氩气为保护气体，加热至混合粉末出现液相，加5MPa压力完成熔渗，然后随炉冷却，制备的到浸铜-C/C复合材料(如图3)。
浸铜-C/C复合材料的碳纤维含量约为32.5vol％，铜合金含量为10.4vol％。复合材料的抗弯强度与冲击强度分别为160.7MPa和2.7j/cm2，电阻率为11.3μΩ·m。在50A、速度100km/h、载荷90N条件下，摩擦试样如图4所示，复合材料的摩擦系数为0.22，磨损率为6.3mm/10000km，各项指标达到现代电力机车用滑板的要求。
实施例二
采用酚醛树脂含量为30vol％的十字交碳纤维预浸炭布。涂料为沥青基短碳纤维、石墨粉、沥青焦粉与酚醛树脂的混合浆料，其中树脂含量为55wt％，沥青基短碳纤维为15wt％、石墨粉为25wt％、沥青焦的质量比5wt％，机械搅拌至均匀分散；其中沥青基短碳纤维的长度为500μm，石墨粉为鳞片石墨粉，尺寸为100目，沥青焦粉尺寸为500目。采用刷涂法将混合浆料均匀地刷涂两次在预浸布表面，升温到80℃至乙醇完全挥发。
刷涂沥青基碳纤维后交替铺层；然后放在平板硫化机在40MPa压力下进行固化成型，压制温度为180℃，保压3h；放入炭化炉进行炭化处理，而后转入浸渍炉，浸渍呋喃树脂，循环两次；进行石墨化处理，温度为2400℃，制备得到C/C多孔体。
将铜粉与比例为10％的Ti金属粉末混合均匀，得到混粉末，将混合粉末冷压成坯，得到冷压坯；然后将冷压坯压在C/C多孔体上，转入烧结炉；抽真空加热至冷压坯出现液相；通入保护气体至炉内压力为4MPa；保温保压直至完成熔渗；然后随炉冷却，得到产品，制备的到浸铜-C/C复合材料。
浸铜-C/C复合材料的碳纤维含量约为39.3vol％，铜合金含量为18.4vol％。复合材料的抗弯强度与冲击强度分别为192.7MPa和3.3j/cm2，电阻率为4.13μΩ·m。在50A、速度100km/h、载荷90N条件下，复合材料的摩擦系数为0.24，磨损率为4.71mm/10000km，各项指标达到现代电力机车用滑板的要求。
实施例三
采用酚醛树脂含量为45vol％的单向碳纤维预浸炭布。涂料为沥青基短碳纤维、石墨粉、沥青焦粉与酚醛树脂的混合浆料，其中树脂含量为70wt％、沥青基短碳纤维为10wt％、石墨粉为15wt％、沥青焦的质量比5wt％)，机械搅拌至均匀分散；其中沥青基短碳纤维的长度为800μm，石墨粉为鳞片石墨粉，尺寸为100目，沥青焦粉尺寸为500目。采用刷涂法将混合浆料均匀地刷涂两次在预浸布表面，升温到80℃至乙醇完全挥发。
采用纯酚醛树脂含量为的单向碳纤维预浸炭布，刷涂沥青基碳纤维后，垂直交替铺层；然后放在平板硫化机在30MPa压力下进行固化成型，压制温度为185℃，保压3h；放入炭化炉进行炭化处理，而后转入浸渍炉，浸渍呋喃树脂，循环两次；进行石墨化处理，温度为2500℃。将铜粉与比例为7.5％的Ti粉均匀混合，得到混粉末，将C/C多孔体包埋与混合粉末中并置于烧结炉内；通氩气为保护气体，加热至混合粉末出现液相，加5MPa压力完成熔渗，然后随炉冷却，制备的到浸铜-C/C复合材料。
浸铜-C/C复合材料的碳纤维含量约为25.3vol％，铜含量为11.9vol％。复合材料的抗弯强度与冲击强度分别为130.7MPa和2.2j/cm2，电阻率为12.4μΩ·m。在50A、速度100km/h、载荷90N条件下，复合材料的摩擦系数为0.26，磨损率为5.5mm/10000km，各项指标达到现代电力机车用滑板的要求。
实施例四
采用纯酚醛树脂含量为50vol％的单向碳纤维预浸炭布。涂料为沥青基短碳纤维、石墨粉、沥青焦粉与酚醛树脂的混合浆料，其中树脂含量为65wt％、沥青基短碳纤维为10wt％、石墨粉为20wt％、沥青焦的质量比5wt％)，机械搅拌至均匀分散；其中沥青基短碳纤维的长度为500μm，石墨粉为鳞片石墨粉，尺寸为50目，沥青焦粉尺寸为500目。采用刷涂法将混合浆料均匀地刷涂两次在预浸布表面，升温到80℃至乙醇完全挥发。
刷涂沥青基碳纤维后，垂直交替铺层。然后放在平板硫化机在25MPa压力下进行固化成型，压制温度为185℃，保压3h；放入炭化炉进行炭化处理，而后转入浸渍炉，浸渍呋喃树脂，循环三次；进行石墨化处理，温度为2500℃。
将铜粉与比例为7.5％的Si金属粉末混合均匀，得到混粉末，将混合粉末冷压成坯，得到冷压坯；然后将冷压坯压在C/C多孔体上，转入烧结炉；抽真空加热至冷压坯出现液相；通入保护气体至炉内压力为4MPa；保温保压直至完成熔渗；然后随炉冷却，得到产品，制备的到浸铜-C/C复合材料。
浸铜-C/C复合材料的碳纤维含量约为18.3vol％，铜含量为18.9vol％。复合材料的抗弯强度与冲击强度分别为116.9MPa和1.627j/cm2，电阻率为8.4μΩ·m。在50A、速度100km/h、载荷90N条件下，复合材料的摩擦系数为0.25，磨损率为6.9mm/10000km，各项指标达到现代电力机车用滑板的要求。
对比例1
采用纯酚醛树脂含量为50vol％的单向碳纤维预浸炭布垂直交替铺层。然后放在平板硫化机在20MPa压力下进行固化成型，压制温度为185℃，保压3h；放入炭化炉进行炭化处理，而后转入浸渍炉，浸渍呋喃树脂，循环三次；进行石墨化处理，温度为2500℃。
将铜粉与比例为7.5％的Si金属粉末混合均匀，得到混粉末，将混合粉末冷压成坯，得到冷压坯；然后将冷压坯压在C/C多孔体上，转入烧结炉；抽真空加热至冷压坯出现液相；通入保护气体至炉内压力为4MPa；保温保压直至完成熔渗；然后随炉冷却，得到产品，制备的到浸铜-C/C复合材料。
浸铜-C/C复合材料的碳纤维含量约为14.3vol％，铜含量为22.9vol％。复合材料的抗弯强度与冲击强度分别为97.4MPa和1.33j/cm2，电阻率为6.9μΩ·m。在50A、速度100km/h、载荷90N条件下，复合材料的摩擦系数为0.28，磨损率为13.5mm/10000km。
对比例2
采用酚醛树脂含量为40vol％的十字交碳纤维预浸炭布。涂料为沥青基短碳纤维、石墨粉、沥青焦粉与酚醛树脂的混合浆料，其中树脂含量为40wt％，沥青基短碳纤维为15wt％、石墨粉为35wt％、沥青焦的质量比10wt％，机械搅拌至均匀分散；其中沥青基短碳纤维的长度为500μm，石墨粉为鳞片石墨粉，尺寸为30目，沥青焦粉尺寸为500目。采用刷涂法将混合浆料均匀地刷涂两次在预浸布表面，升温到80℃至乙醇完全挥发。
刷涂沥青基碳纤维后交替铺层；然后放在平板硫化机在40MPa压力下进行固化成型，压制温度为180℃，保压3h；放入炭化炉进行炭化处理，而后转入浸渍炉，浸渍呋喃树脂，循环两次；进行石墨化处理，温度为2400℃，制备得到C/C多孔体。
将铜粉与比例为10％的Ti金属粉末混合均匀，得到混粉末，将混合粉末冷压成坯，得到冷压坯；然后将冷压坯压在C/C多孔体上，转入烧结炉；抽真空加热至冷压坯出现液相；通入保护气体至炉内压力为4MPa；保温保压直至完成熔渗；然后随炉冷却，得到产品，制备的到浸铜-C/C复合材料。
浸铜-C/C复合材料的碳纤维含量约为28.3vol％，铜合金含量为13.9vol％。复合材料的抗弯强度与冲击强度分别为115.7MPa和1.9j/cm2，电阻率为13.13μΩ·m。在50A、速度100km/h、载荷90N条件下，复合材料的摩擦系数为0.22，磨损率为15.7mm/10000km，各项指标达到现代电力机车用滑板的要求。

Claims (7)

1.一种高速列车用受电弓滑板的制备方法；其特征在于包括下述步骤：
步骤一刷涂改性碳纤维预浸布
配取树脂、沥青基短碳纤维、石墨粉与沥青焦粉混合均匀得到混合物；所述
混合物中，树脂含量为40-50%，沥青基短碳纤维为15-20%，石墨粉为15-25%，沥青焦的质量比10-15%，将混合物至于醇中，搅拌均匀，得到浆料；然后将浆料均匀刷涂在碳纤维预浸布表面；然后烘干，得到刷涂改性后的碳纤维预浸布；沥青基短碳纤维的长度为100 μm-2mm；
步骤二热压制备C/C多孔体
将步骤一所得刷涂改性后的碳纤维预浸布并逐层依次叠置压制固化成型，得到初坯；初坯进行炭化处理，而后采用呋喃树脂浸渍、固化与炭化增密，通过控制浸渍/炭化增密次数调控C/C多孔体的孔隙率为15 vol%-50vol%；然后将试样转入石墨化炉内升温到2300-2800℃，保温1-2小时，调节试样石墨化度；得到密度为0.8-1.5 g/cm3C/C的多孔体；
步骤三浸渍铜合金制备浸铜-C/C复合材料
所述步骤三包括下述两套方案中的至少一种；
方案一为：
将铜粉与金属粉末混合均匀；得到混粉末，将C/C多孔体包埋于混合粉末中并置于烧结炉内；通保护气体，加热至混合粉末出现液相，加低压完成熔渗；所述金属粉末在合金中的原子比为0 %-35 %；所述金属粉末由Si、Cr、Ti、Mo与Zr元素中的至少一种组成；所述低压的压力为1-5MPa；然后随炉冷却，得到产品；
方案二为：
将铜粉与金属粉末混合均匀；得到混粉末，将混合粉末冷压成坯，得到冷压坯；然后将冷压坯压在C/C多孔体上，转入烧结炉；抽真空加热至冷压坯出现液相；通入保护气体至炉内压力为1-5MPa；保温保压直至完成熔渗；然后随炉冷却，得到产品；所述金属粉末由Si、Cr、Ti、Mo与Zr元素中的至少一种组成；
所得产品的抗冲击强度分为2.7~3.3 J /cm2、电阻率为4.1~11.3μΩ·m；在50A、速度100km/h、载荷90N条件下，产品的摩擦系数为0.22-0.25；磨损率为4.7-6.9 mm/10000km。
2.根据权利要求1所述的一种高速列车用受电弓滑板的制备方法；其特征在于：步骤一中所述树脂为呋喃树脂和/或酚醛树脂。
3.根据权利要求1所述的一种高速列车用受电弓滑板的制备方法；其特征在于：石墨粉为鳞片石墨粉，尺寸为30-1000目。
4.根据权利要求1所述的一种高速列车用受电弓滑板的制备方法；其特征在
于：沥青焦粉尺寸为30-1000目。
5.根据权利要求1所述的一种高速列车用受电弓滑板的制备方法；其特征在于：碳纤维预浸布通过下述方案制备：将PAN基十字交炭纤维布或者单向碳纤维布在第二树脂溶液中浸渍后得到，第二树脂选自纯酚醛树脂、改性酚醛树脂中的一种，预浸布的树脂含量为20-60 vol%。
6.根据权利要求1所述的一种高速列车用受电弓滑板的制备方法；其特征在于：步骤二中，
压制成型工艺：整个压制过程在平板硫化机上完成；首先施加5-20MPa压力，以速度80℃/h升温到100-110℃，保压45min；然后加压至10-65MPa，以速度为50 ℃/h，升温到180-200℃，保压3h至树脂完全固化；
树脂浸渍工艺：将试样放入浸渍炉，先抽真空并升温到12 ℃，后加压1.4-1.6 MPa，保持2-3 h，使呋喃树脂填充复合材料， 然后以12 ℃/h升温速率升温到120 ℃，以升温速率为9 ℃/h升温到190 ℃，在190 ℃时保温2 h使复合材料固化；
炭化升温工艺为：试样转入炭化炉，通入惰性保护气；室温-200℃，升温速率70-90℃/h；200-650℃，升温速率10-15℃/h；650-850℃升温速率10-20℃/h，炭化温度845-855℃保温1-3h；将炭化坯，重复浸渍、固化炭化与炭化过程，直至C/C多孔体的密度在0.8-1.5 g/cm3。
7.根据权利要求1所述的一种高速列车用受电弓滑板的制备方法；其特征在于：所得产品的抗冲击强度分为3.3 J /cm2、电阻率为4.13μΩ·m；在50A、速度100km/h、载荷90N条件下，产品的摩擦系数为0.24；磨损率为4.71 mm/10000km。
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