CN113997677A - 焙烧型复合材料受电弓滑板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新型复合材料技术领域，涉及一种焙烧型复合材料受电弓滑板的制备方法。由金属网、纤维织物和混杂纤维增强复合材料组成且相互层间分布；所述金属网为铜网、铝网和不锈钢网中的任一种；纤维织物为碳纤维织物、玻璃纤维织物、玄武岩纤维织物中的任一种或三种混杂；混杂纤维增强复合材料由混杂纤维、腰果壳油改性酚醛树脂、摩擦性能调节剂组成。保证受电弓滑板良好的耐磨和减摩性能；通过多次反复浸渍酚醛树脂和焙烧处理，提高了受电弓滑板的耐热性和性能稳定性。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金属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。
Description
技术领域
本发明属于新型复合材料技术领域，涉及一种焙烧型复合材料受电弓滑板的制备方法，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焙烧型复合材料受电弓滑板的制备方法。
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三种类型。粉末冶金滑板主要以铜粉或铁粉为基体原料，并添加其他金属粉末和非金属粉末压制烧结而成，它具有强度高、抗冲击等优点，但是它对铜接触网导线的磨损非常严重，而且在使用中易产生电弧，干扰电信号。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，但碳滑板强度低、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。专利号为CN112643032A的《一种电力机车受电弓用碳/铜复合滑板生产方法》，将石墨、沥青焦、镀铜碳纤维和铜粉等混合，经预成型、挤压、焙烧、浸渍和二次焙烧，制得的碳/铜复合滑板孔隙率较大，强度较低；专利号为CN106631083A的《一种受电弓滑板用短切碳纤维增强碳/碳复合材料的制备方法》，将中间相沥青粉和短切碳纤维等混合制成坯体进行碳化处理，进一步浸渍中间相沥青、碳化和石墨化，制得的碳纤维增强碳/碳复合材料强度较低，导电性较差；专利号为CN109295337A的《一种基于粉末冶金的铜基受电弓滑板制备工艺》，将铜粉、二硫化钼、酚醛树脂、丁腈橡胶和短切碳纤维等混合后热压成型，并将坯体进行碳化焙烧处理，进一步浸渍酚醛树脂，制得的铜基受电弓滑板对接触导线磨损较大，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，提供一种强度高、电阻率小、耐磨损的焙烧型复合材料受电弓滑板的制备方法。
为了达到上述目的，本发明是采用下述的技术方案实现的：
一种焙烧型复合材料受电弓滑板的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：（1）备料：焙烧型复合材料受电弓滑板由金属网、纤维织物和混杂纤维增强复合材料组成且相互层间分布。金属网为铜网、铝网和不锈钢网中的任一种；纤维织物为碳纤维织物、玻璃纤维织物、玄武岩纤维织物和该三种纤维的混杂织物中的任一种；混杂纤维增强复合材料由混杂纤维、腰果壳油改性酚醛树脂、摩擦性能调节剂组成。
（2）混料：将腰果壳油改性酚醛基体树脂、混杂纤维先均匀混合，之后分次添加摩擦性能调节剂制成模压料。
（3）浸渍：将纤维织物浸渍酚醛树脂；采用的浸渍条件为：酚醛树脂乙醇浸渍液浓度60%，浸渍温度60°C，浸渍时间为20-30分钟。
（4）预烘：将模压料和纤维织物烘干，烘干温度为100±5℃，预烘时间为30-60分钟。
（5）模压：按照模压料、金属网和纤维织物的顺序分别依次加入模具，三种材料相间分布使得层数达到20-50层，上层和底层为模压料；加压加热直至固化并从模具中取出制件，成型温度160-200℃，成型压力50-100MPa，成型时间2.0-3.0分钟/毫米。其中，烘干后的模压料厚度为3.9-4.1毫米。
（6）后处理：将制件放入烘箱中进行后固化处理，后处理温度在160-180℃，后处理时间10分钟/毫米。
（7）焙烧：对制件在N2气氛下800°C-850°C热处理，处理时间30-35分钟。
（8）再浸渍：对焙烧后的制件进行浸渍处理，采用的浸渍条件为：酚醛树脂乙醇浸渍液浓度60%-70%，浸渍温度60°C，浸渍时间为1-2小时。
（9）再焙烧-再浸渍-再焙烧：对制件进行浸渍3次和焙烧4次处理，制得焙烧型复合材料受电弓滑板。
上述的焙烧型复合材料受电弓滑板的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的金属网纤维直径0.05-3毫米，网孔直径0.1-15毫米，其用量为滑板总重量的10-60%。
上述的焙烧型复合材料受电弓滑板的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的纤维织物为单向纤维布、平纹织物和斜纹织物中的任一种，织物厚度为0.1-1.5毫米，其用量为滑板总重量的5-30%。
上述的焙烧型复合材料受电弓滑板的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的混杂纤维增强复合材料由混杂纤维、腰果壳油改性酚醛树脂、摩擦性能调节剂组成，各组分的重量百分比为：混杂纤维25-55%，腰果壳油改性酚醛树脂15-45%，摩擦性能调节剂20-50%；混杂纤维为碳纤维、金属纤维、矿物纤维、玻璃纤维中的至少两种。
上述的焙烧型复合材料受电弓滑板的制备方法，其特征在于：所述的步骤（1）、（2）中所述的混杂纤维长度均不大于50毫米，金属纤维为钢纤维、铜纤维、铝纤维、铸铁纤维和不锈钢纤维中的至少一种；矿物纤维为海泡石纤维、硅灰石纤维、岩棉、硅线石纤维和坡缕石纤维中的至少一种。
上述的混杂纤维增强复合材料受电弓滑板，其特征在于：所述的步骤（1）、（2）中所述的摩擦性能调节剂为橡胶、石墨、铜粉、硫酸钡、二氧化硅中的至少二种。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明的材料配方体系中，金属网提高了受电弓滑板导电性；纤维织物与复合材料紧密结合提高了受电弓滑板的强度；混杂纤维增强复合材料形成无规交叉网络，保证了受电弓滑板良好的耐磨和减摩性能；通过多次反复浸渍酚醛树脂和焙烧处理，提高了受电弓滑板的耐热性和性能稳定性。本发明制造的焙烧型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金属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
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
实施例1
本实施例中混杂纤维增强复合材料中各物质的质量百分数为：碳纤维8%，钢纤维10%，硅灰石纤维10%，石墨粉12%，丁腈橡胶12%，铜粉10%，二氧化硅8%，酚醛树脂30%，用无水乙醇（0.4-0.5L/kg）将上述混合料调成糊状，充分搅拌制成模压料。
将厚度为0.52毫米的碳纤维织物浸渍酚醛树脂，溶剂为乙醇，浸渍液质量浓度为60%，浸渍温度60°C，浸渍时间为30分钟。
将模压料和浸渍后的碳纤维织物放入烘箱，在100℃下烘干1小时。将烘干后的模压料填充在受电弓滑板模具中，厚度约4毫米；然后铺一层约1毫米厚的铜网，再铺一层0.52毫米的碳纤维织物，按照这个顺序三种材料共相间分布铺49层，最上层和底层均为厚度约4毫米的模压料；在50MPa压力、160℃下热压60分钟，制成的混杂纤维复合材料滑板在160℃烘箱中后处理90分钟。
本实施例固化后改性酚醛树脂在氮气保护下焙烧至800°C，经试验测试，在400 -600°C之间，酚醛树脂的热失重较明显，树脂原有的高分子结构随温度升高逐渐被破坏，因此热解释放的热量最高，失重明显；在600-800°C范围内，随温度升高，树脂结构逐渐被碳化并形成完整的无定形碳结构，热量逐渐减少至反应完成。因此，可以认为在400-600°C之间是酚醛树脂的反应阶段， 600°C之后是碳化结构逐渐完善的阶段，无定形碳结构强度逐渐升高。故酚醛树脂的热处理温度应高于600°C。另外，复合材料制品的焙烧温度通常为其中金属的绝对熔点温度的2/3-4/5，参照铜的熔点为1083.4°C，焙烧最高温度约为860°C。
将滑板制件在N2气氛下800°C焙烧处理35分钟，然后对焙烧后的制件进行浸渍处理，酚醛树脂浸渍液浓度70%，浸渍温度60°C，浸渍时间为1.5小时。
进一步对制件交替进行再焙烧和再浸渍，直至完成浸渍3次和焙烧4次处理，再焙烧和再浸渍条件与前述条件一致，制得焙烧型复合材料受电弓滑板。
经检测，该焙烧型复合材料受电弓滑板密度2.26g. cm-3，电阻率5.6×10-6Ω. m，弯曲强度132MPa，载流磨损量5.92×10-5mm3·N-1·m-1，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。
实施例2
本实施例未特殊说明之处，与实施例1一致。混杂纤维增强复合材料组成为：碳纤维10%，海泡石纤维30%，石墨粉15%，丁腈橡胶10%，硫酸钡5%，二氧化硅5%，酚醛树脂35%，用无水乙醇将上述混合料调成糊状，充分搅拌制成模压料。
将厚度为1.5毫米的玻璃纤维织物浸渍酚醛树脂，浸渍液浓度60%，浸渍温度60°C，浸渍时间为30分钟。
将模压料和玻璃纤维织物放入烘箱，在100℃下烘干1小时。将烘干后的模压料填充在受电弓滑板模具中，厚度约4毫米；然后铺一层约1毫米厚的不锈钢网，再铺一层1.5毫米的玻璃纤维织物，共相间分布铺31层，上层和底层为模压料；在100MPa压力、160℃下热压30分钟，制成的混杂纤维复合材料滑板在160℃下后处理100分钟。
将滑板制件在N2气氛下850°C焙烧处理30分钟，然后对焙烧后的制件进行浸渍处理，酚醛树脂浸渍液浓度60%，浸渍温度60°C，浸渍时间为1.5小时。
进一步对制件进行再焙烧，直至完成浸渍3次和焙烧4次处理，制得焙烧型复合材料受电弓滑板。
该焙烧型复合材料受电弓滑板密度2.38g. cm-3，电阻率6.3×10-6Ω. m，弯曲强度125MPa，载流磨损量6.35×10-5mm3·N-1·m-1，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。
实施例3
本实施例未特殊说明之处，与实施例1一致。混杂纤维增强复合材料中碳纤维5%，铜纤维20%，硅灰石纤维10%，石墨粉5%，铜粉15%，丁腈橡胶5%，二氧化硅5%，酚醛树脂35%，
用无水乙醇将上述混合料调成糊状，充分搅拌制成模压料。
将厚度为0.8毫米的玄武岩纤维织物浸渍酚醛树脂，浸渍液浓度60%，浸渍温度60°C，浸渍时间为30分钟。
将模压料和玄武岩纤维织物放入烘箱，在100℃下烘干1小时。将烘干后的模压料填充在受电弓滑板模具中，厚度约4毫米；然后铺一层约1.5毫米厚的铝网，再铺一层1.5毫米的玄武岩纤维织物，共相间分布铺31层，上层和底层为模压料；在80MPa压力、160℃下热压30分钟，制成的混杂纤维复合材料滑板在160℃下后处理100分钟。
将滑板制件在N2气氛下800°C焙烧处理30分钟，然后对焙烧后的制件进行浸渍处理，酚醛树脂浸渍液浓度60%，浸渍温度60°C，浸渍时间为1小时。
进一步对制件进行再焙烧，直至完成浸渍3次和焙烧4次处理，制得焙烧型复合材料受电弓滑板。
该焙烧型复合材料受电弓滑板密度2.28g. cm-3，电阻率7.2×10-6Ω. m，弯曲强度116MPa，载流磨损量6.52×10-5mm3·N-1·m-1，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。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.一种焙烧型复合材料受电弓滑板，其特征在于，所述焙烧型复合材料受电弓滑板由金属网、纤维织物和混杂纤维增强复合材料组成且相互层间分布；所述金属网为铜网、铝网和不锈钢网中的任一种；纤维织物为碳纤维织物、玻璃纤维织物、玄武岩纤维织物中的任一种或三种混杂；混杂纤维增强复合材料由混杂纤维、腰果壳油改性酚醛树脂、摩擦性能调节剂组成。
2.根据权利要求1所述焙烧型复合材料受电弓滑板，其特征在于，所述金属网的纤维直径为0.05-3毫米，网孔直径为0.1-15毫米，金属网用量为滑板总重量的10-60%；
所述纤维织物为单向纤维布、平纹织物和斜纹织物中的任意一种，厚度为0.1-1.5毫米，纤维织物用量为滑板总重量的5-30%；
所述混杂纤维增强复合材料由如下重量份数物质组成：混杂纤维25-55份，腰果壳油改性酚醛树脂15-45份，摩擦性能调节剂20-50份；
所述混杂纤维为碳纤维、金属纤维、矿物纤维、玻璃纤维中的至少两种；
所述混杂纤维长度均不大于50毫米；
所述金属纤维为钢纤维、铜纤维、铝纤维、铸铁纤维和不锈钢纤维中的至少一种；
所述矿物纤维为海泡石纤维、硅灰石纤维、岩棉、硅线石纤维和坡缕石纤维中的至少一种；
所述摩擦性能调节剂为橡胶、石墨、铜粉、硫酸钡、二氧化硅中的至少两种。
3.权利要求1或2所述焙烧型复合材料受电弓滑板的制备方法，其特征在于，步骤如下：
（1）混料
将腰果壳油改性酚醛基体树脂、混杂纤维均匀混合，然后分次添加摩擦性能调节剂制成模压料；
（2）浸渍
将纤维织物加入酚醛树脂乙醇浸渍液中浸渍；
（3）预烘
将模压料和浸渍后的纤维织物进行预烘干；
（4）模压
先将烘干后的模压料填充在模具底部，然后按照金属网、纤维织物、烘干后的模压料的顺序相间分布铺够20-50层，最上层为烘干后的模压料，加热加压直至固化成型得到制件；烘干后的模压料厚度为3.9-4.1毫米；
（5）后处理
将制件放入烘箱中进行后固化处理；
（6）焙烧
对后固化处理后的制件在N2气氛下800 -850°C热处理，处理时间30-35分钟；
（7）再浸渍
对焙烧后的制件进行再浸渍处理，再浸渍条件为：酚醛树脂乙醇浸渍液质量浓度60-70%，浸渍温度60°C，浸渍时间为1-2小时；
（8）再焙烧-再浸渍-再焙烧
交替重复步骤（6）和步骤（7）三次，然后再重复步骤（6）一次，制得焙烧型复合材料受电弓滑板。
4.根据权利要求2所述焙烧型复合材料受电弓滑板的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中酚醛树脂乙醇浸渍液质量浓度为60%，浸渍温度60°C，浸渍时间为20-30分钟。
5.根据权利要求2所述焙烧型复合材料受电弓滑板的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中预烘干温度为100±5℃，预烘时间为30-60分钟。
6.根据权利要求2所述焙烧型复合材料受电弓滑板的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中固化成型温度为160-200℃，固化成型压力为50-100MPa，固化成型时间为2.0-3.0分钟/毫米；所述步骤（5）中后固化处理温度为160-180℃，后固化处理时间为10分钟/毫米。
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