CN115819919A - 树脂材料、受电弓滑板及其制备方法、电气化交通工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种树脂材料、受电弓滑板及其制备方法、电气化交通工具，属于材料领域。高铁等电气化交通工具上的受电弓滑板是受电元件的关键组成部分，受电弓滑板直接与接触网导线接触，在静止或滑动状态下将输电网上的电流引导下来，传输给机车供电***，来维持电力机车正常运行。受电弓滑板的导电性能、耐磨性能及强度是目前限制高铁提速的最重要因素。本发明提供的树脂材料、受电弓滑板包括电解铜粉、树脂粘接剂、石墨和增强纤维，具有结构强度高、抑弧性能好、对导线磨损小、电阻率低、优良的耐磨损性能。

Description

树脂材料、受电弓滑板及其制备方法、电气化交通工具

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种树脂材料、受电弓滑板及其制备方法、电气化交通工具。

背景技术

高铁等电气化交通工具上的受电弓滑板是受电元件的关键组成部分，受电弓滑板直接与接触网导线接触，在静止或滑动状态下将输电网上的电流引导下来，传输给机车供电***，来维持电力机车正常运行。受电弓滑板的导电性能、耐磨性能及强度是目前限制高铁提速的最重要因素。

现有技术中受电弓滑板一般采用铜合金制成。在电力机车高速运行时，受电弓滑板在滑动的状态下，从接触导线上获得100-1000A的电流作为机车的供电电力，其工作状态下易发生摩擦损耗。由于受电弓滑板处于高速、载流、高温、润滑性低等较为恶劣的状态下工作，高速电气列车的提速更会进一步缩短受电弓滑板的使用寿命，进而导致受电弓滑板成为机车***更换最为频繁的部件。

随着高分子聚合技术的发展，越来越多传统上应用金属的领域正逐步被工程塑料所取代，在减摩、抗磨材料领域表现尤为突出。树脂型导电复合材料以其比强度高、可设计性强、减摩抗磨损性能优良、耐腐蚀性能好以及便于大面积整体成型等独特优点而备受重视。树脂型导电复合材料具有良好的结构和性能可控性，可以在较大范围内调节自身的电学、力学性能。

发明内容

本发明提供一种树脂材料、使用该材料制成的受电弓滑板及其制备方法、以及使用该受电弓滑板的电气化交通工具，用于解决现有列车受电弓滑板粘着磨损大、冲击易折断、电阻率大的问题。

本发明提供一种树脂材料，包括67％-81％(质量分数)的电解铜粉、9-21％(质量分数)的树脂粘结剂、4％-13％(质量分数)的石墨，所述树脂粘结剂中YM树脂(腰果壳油改性酚醛树脂)与NBR橡胶(丁腈橡胶)质量之比小于2。

优选的，所述树脂粘结剂为9-18％(质量分数)的PBMI树脂(聚双马来酰亚胺树脂)和YM树脂。

优选的，所述石墨为鳞片石墨或粉状石墨。

优选的，还包括5％(质量分数)的炭纤维。

本发明实施例提供一种受电弓滑板，由上述树脂材料制成。

本发明实施例提供一种受电弓滑板的制备方法，包括以下步骤：

S1，将预处理后的石墨、电解铜粉、粘结剂置于165±5℃下进行热压；所述热压压力为150MPa；所述热压开始时每10s放气一次，共3次，在保压阶段，每隔3min放气一次。

S2，对所述步骤S1得到的材料进行热处理，所述热处理包括110℃热处理1小时，150℃热处理2小时，200℃热处理8小时；

S3，对所述步骤S2得到的材料进行真空或加压浸渍处理，处理时间为2小时，得到所述受电弓滑板。

优选的，在步骤S1热压前首先进行预压，所述预压操作包括：将预处理后的石墨、电解铜粉、粘结剂在温度为60±5℃下进行热板压制，随后再冷却粉碎，进行热预压成型，预压温度为110±5℃，预压成型压力为85MPa，得到预压片；待所述预压片冷却后，再进行热压。

优选的，所述预处理包括：将石墨放在含70％的氧化剂的水溶液中浸泡24h，然后用清水冲洗干净，烘干备用；将电解铜粉，粘接剂，处理后的石墨，经过配料、筛分后，先在旋转式搅拌机中间歇搅拌5min左右，然后再在行星快速研磨机中混合2h。

本发明还提供一种电气化交通工具，使用如上述树脂材料制成的受电弓滑板或由上述方法所制备的受电弓滑板。

本发明提供的树脂材料具有良好的自润滑性和抑弧性，由该树脂材料制成的受电弓滑板与接触导线构成一对机械与电气耦合的特殊摩擦副，具备较好的结构和可控性能，可以在较大范围内调节自身的电学、力学性能，表现出优异的综合性能。该树脂材料制成的受电弓滑板比强度高、可设计性强、减摩抗磨损性能优良、耐腐蚀性能好以及便于大面积整体成型等优点，在高铁提速大背景下，是新型受电弓滑板的理想集电材料的主要发展方向。

在本发明中，所述热处理温度和保温时间对所述石墨纤维增强铜基材料的密度及硬度影响较大，在一定范围内升高热处理温度和/或增加保温时间，可以使石墨纤维增强铜基材料的晶粒长大、颗粒间距离变小并使晶界发生移动并越过孔隙，消除材料中孔隙，进而使材料密度、硬度提高，进而解决现有列车受电弓滑板机械强度低、冲击韧性差、磨损严重的问题。

在本发明中，所述石墨纤维增强铜基材料中的石墨纤维添加量在一定范围内增加，可以降低该材料的摩擦因数，同时降低其体积磨损率，进而解决现有列车受电弓滑板机械强度低、冲击韧性差、磨损严重的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1-4中各试样树脂材料室温下电阻率随粘结剂含量变化的曲线图；

图2是本发明实施例1-4中各试样树脂材料硬度随粘结剂含量变化的曲线图；

图3是本发明实施例5中各试样树脂材料磨损率和摩擦系数与粘结剂含量的关系图；

图4是本发明实施例6-7中各试样树脂材料磨损率与石墨种类、石墨含量的关系图；

图5是本发明实施例6-7中各试样树脂材料摩擦系数与石墨种类、石墨含量的关系图；

图6是本发明实施例4中某试样表面磨损形貌SEM图像；

图7是本发明实施例5中某试样表面磨损形貌SEM图像。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种树脂材料，并提供实施例1-7公开树脂材料中各组分、含量等特征。

实施例1-4：

本发明提供一种树脂材料，包括67％-81％(质量分数)的电解铜粉、9-21％(质量分数)的树脂粘结剂、4％-13％(质量分数)的石墨，所述树脂粘结剂中YM树脂与NBR橡胶质量之比小于2。

上述树脂材料还包括5％(质量分数)的增强纤维，包括炭纤维、聚酯纤维，尼龙纤维，聚丙烯纤维等有机纤维或碳纤维，硼纤维，金属纤维等无机纤维中的一种或几种。实施例1-4使用含炭≥99.9wt％的炭纤维作为增强纤维。

所述石墨为鳞片石墨，呈天然鳞片状，含炭＞99wt％，厂家规格型号为P。

实施例1-4中各实施例所涉及的组分含量详见下表，表内数据单位为质量分数或质量之比：

使用GB/T 34572-2017及其引用的标准所规定的方法对实施例1-4中各实施例的树脂材料的电阻率、硬度进行测试，测试数据见附图1和附图2，经过对比结果发现，树脂材料试样的室温电阻率随粘结剂含量的增大而增大，树脂材料试样的表面硬度随粘结剂含量的增大而减小，当粘结剂含量为9-15mass％时，树脂材料试样可同时满足优良导电性和适中硬度的性能要求。

附图6展示了实施例4某试样表面磨损形貌的SEM图像，实施例4某试样磨损面有一些轻微的擦伤痕迹、犁沟和少许磨屑坑以及大量的复合润滑膜，这表明在磨损过程中，摩擦副表现出了粘着磨损特征。

实施例5：

实施例5中的树脂材料将YM树脂混合PBMI树脂进行改性处理，实施例5中树脂材料的组分如下表所示(表内数据单位为质量分数)。在实施例5的各试样之间，保持鳞片石墨和增强纤维含量不变，电解铜粉的含量随粘结剂含量的增加依次减少。

对实施例5树脂材料试样的磨损率及摩擦系数进行测试，测试方法如下：

将试样置于常温变速工况下模拟磨损，常温变速条件为：干式摩擦、气缸压力为0.25MPa、初始转速为6500r/min、每组制动3次，每次制动后将试样冷却至室温，再进行下一次制动。

测试结果见附图3，树脂材料试样的磨损率和摩擦系数均随着树脂含量的增加呈现先减小后增大的趋势，而且都在10.5mass％时出现最小值，表明当树脂含量为10.5mass％时，树脂材料试样具有最佳的摩擦学性能。PBMI/YM改性树脂制成的树脂材料的试样比YM树脂材料试样提供了更完整、牢固的固体润滑膜，从而更能起到减摩抗磨作用。

附图7展示了实施例5某试样表面磨损形貌的SEM图像，与附图6相比，实施例5在相同温度下的试样磨损面上存在大量的复合润滑膜，滑板表面较光滑，界面结合良好，未见明显擦伤和转移痕迹，这表明在磨损过程中，摩擦副的局部磨损区域存在轻微的粘着磨损。

实施例6-7：

实施例6与实施例7对组分进行调整，实施例6使用鳞片石墨(石墨粒径为≤45μm)、实施例7使用粉状石墨(厂家规格型号为G，含炭＞99wt％，石墨粒径为≤45μm)。保持粘结剂含量不变，同一实施例中不同试验的电解铜粉的含量随石墨含量的增加依次减少。实施例6和实施例7的组分含量如下表所示(表内数据单位为质量分数)：

对实施例6和7的树脂材料试样的磨损率及摩擦系数进行测试，测试方法如下：

将树脂材料试样置于常温变速工况下模拟磨损，常温变速条件为：干式摩擦、气缸压力为0.25MPa、初始转速为6500r/min、每组制动3次，每次制动后将试样冷却至室温，再进行下一次制动。

测试结果见附图4和附图5，两种树脂材料试样的磨损率和摩擦系数均随着石墨含量的增加先减小后增大，石墨含量较小时，磨损面上产生的划痕较深；随着石墨含量的增大，磨损面上的划痕逐渐变浅。

实施例8：

本发明提供一种使用上述树脂材料的受电弓滑板的制备方法，并提供两个实施例。本实施例采用直接模压成型工艺，具体包含下列步骤：

步骤S0：预处理，具体包括：

(1)用氧化剂对石墨、炭纤维等无机填料进行表面处理，将预处理原材料放在含70％的氧化剂的水溶液中浸泡24h，然后用清水冲洗干净，烘干备用。所述氧化剂为浓硝酸与浓硫酸的混合物，比例为摩尔比1:3。

(2)将69-81mass％的电解铜粉，9-21mass％的粘接剂(其中粘接剂中YM树脂与NBR橡胶比例为8:4-8:2)，10mass％的石墨，经过配料筛分后，先在旋转式搅拌机中间歇搅拌5min左右，然后再在行星快速研磨机中混合2h。

步骤S1：压制，具体包括：

将预处理后的石墨、电解铜粉、粘结剂置于165±5℃下进行热压；所述热压压力为150MPa；所述热压开始时每10s开模放气一次，共3次，在随后的保压阶段，每隔3min放气一次。

步骤S2：固化处理，具体包括：

对所述步骤S1得到的材料进行热处理，所述热处理包括110℃热处理1小时，150℃热处理2小时，200℃热处理8小时；或者，110℃热处理1小时，150℃热处理2小时，200℃热处理8小时，350℃热处理2小时。

步骤S3：浸渍处理，具体包括：

采用真空或者加压浸渍将滑板气孔中的气体排除，使硅油能够快速渗入到孔隙中；真空或者加压浸渍的时间为2h。

实施例9：

进一步地，本发明提供另一种制备方法的实施例，本实施例使用三次压制成型工艺，具体包括：

步骤S0：预处理，具体包括：

(1)用氧化剂对石墨、炭纤维等无机填料进行表面处理，将预处理原材料放在含70％的氧化剂的水溶液中浸泡24h，然后用清水冲洗干净，烘干备用。

(2)将69-81mass％的电解铜粉，9-21mass％的粘接剂(其中粘接剂中YM树脂与NBR橡胶比例为8:4-8:2)，10mass％的石墨，经过配料筛分后，先在旋转式搅拌机中间歇搅拌5min左右，然后再在行星快速研磨机中混合2h。

步骤S0-1：预压，具体包括：

将预处理后的石墨、电解铜粉、粘结剂在温度为60±5℃下进行热板压制，随后再冷却粉碎，进行热预压成型，预压温度为110±5℃，预压成型压力为85MPa，得到预压片；待所述预压片冷却后，再进行步骤S1。

步骤S1：压制，具体包括：

待预压片冷却后，再在压制温度为165±5℃下进行热复压，复压成型压力为150MPa。热压开始时每10s开模放气一次，共3次，在随后的保压阶段，每隔3min放气一次。

步骤S2：固化处理，具体包括：

对所述步骤S1得到的材料进行热处理，所述热处理包括110℃热处理1小时，150℃热处理2小时，200℃热处理8小时；

步骤S3：浸渍处理，具体包括：

采用真空或者加压浸渍将滑板气孔中的气体排除，使硅油能够快速渗入到孔隙中；真空或者加压浸渍的时间为2h；

本发明使用74-78mass％的电解铜粉，10.5mass％的树脂粘接剂，10mass％的鳞片石墨和3-5mass％的增强纤维，对比上述两实施例中受电弓滑板的制备方法(直接模压成型工艺和三次压制成型工艺)所制备的受电弓滑板的硬度和强度。使用JBT 8133.3《电炭制品物理化学性能试验方法第3部分：洛氏硬度》公开的方法测试受电弓滑板的硬度；使用JBT8133.7《电炭制品物理化学性能试验方法第7部分：抗折强度》公开的方法测试受电弓滑板的强度。

经过测试，实施例8与实施例9两种方法所制备的受电弓滑板试样的物理性能参数如下：

由于在热板压制、热预压过程中，固化产生的气体能顺利排出，材料空隙减少，试样更致密，经三次压制后树脂、增强纤维和其它填料的粘结力增大，滑板试样洛氏硬度和抗折强度均有提高。

对实施例8和9的树脂材料试样的磨损率及摩擦系数进行测试，测试方法如下：

将树脂材料试样置于常温变速工况下模拟磨损，常温变速条件为：干式摩擦、气缸压力为0.25MPa、初始转速为6500r/min、每组制动3次，每次制动后将试样冷却至室温，再进行下一次制动。

实施例9所采用的方法还减少了磨损面空隙率，提高了滑板试样的抗电侵蚀性能，磨损性能结果如下表所示。

实施例9采用三次压制工艺制备的滑板材料，其中的树脂大分子在固化后进入填料、纤维的孔隙和凹凸处形成均匀的机械铰合，使粘结效果得到明显改善。经三次压制工艺处理的树脂使滑板试样中各组分间粘结力进一步增大，使其在磨损过程中不易脱落，使得滑板试样的磨损率降低。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

本发明未尽事宜为公知技术。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种树脂材料，其特征在于，包括67％-81％(质量分数)的电解铜粉、9-21％(质量分数)的树脂粘结剂、4％-13％(质量分数)的石墨，所述树脂粘结剂中腰果壳油改性酚醛树脂与丁腈橡胶的质量之比小于2。

2.根据权利要求1所述的树脂材料，其特征在于，所述树脂粘结剂为9-18％(质量分数)的聚双马来酰亚胺树脂和腰果壳油改性酚醛树脂。

3.根据权利要求1所述的树脂材料，其特征在于，所述石墨为鳞片石墨或粉状石墨。

4.根据权利要求1所述的树脂材料，其特征在于，还包括5％(质量分数)的增强纤维。

5.一种受电弓滑板，由权利要求1-4任一树脂材料制成。

6.一种受电弓滑板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将预处理后的石墨、电解铜粉、粘结剂置于165±5℃下进行热压；所述热压压力为150MPa；所述热压开始时每10s放气一次，共3次，在保压阶段，每隔3min放气一次；

S2，对所述步骤S1得到的材料进行热处理，所述热处理包括110℃热处理1小时，150℃热处理2小时，200℃热处理8小时；

S3，对所述步骤S2得到的材料进行真空或加压浸渍处理，处理时间为2小时，得到所述受电弓滑板。

7.根据权利要求6所述的一种受电弓滑板的制备方法，其特征在于，在步骤S1热压前首先进行预压，所述预压操作包括：将预处理后的石墨、电解铜粉、粘结剂在温度为60±5℃下进行热板压制，随后再冷却粉碎，进行热预压成型，预压温度为110±5℃，预压成型压力为85MPa，得到预压片；待所述预压片冷却后，再进行所述热压操作。

8.根据权利要求6所述的一种受电弓滑板的制备方法，其特征在于，所述预处理包括：

将石墨放在含70％的氧化剂水溶液中浸泡24h，然后用清水冲洗干净，烘干备用；将电解铜粉，粘接剂，处理后的石墨，经过配料、筛分后，先在旋转式搅拌机中间歇搅拌5min左右，然后再在行星快速研磨机中混合2h。

9.一种电气化交通工具，使用如权利要求5所述的受电弓滑板。

10.一种电气化交通工具，使用如权利要求6-8任一方法所制备的受电弓滑板。

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