CN1178745A - 电力机车用碳－碳复合材料受电弓滑板 - Google Patents
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Abstract
一种用新型的碳纤维增强碳基复合材料制成的受电弓滑板,应用于铁路电力机车上,属交通运输部车辆配件技术领域。以镀铜碳粉末为基体材料,采用短碳纤维作为增强剂,并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,然后进行冷压和热压成型。本发明制造的电力机车用碳纤维增强碳基复合材料受电弓滑板具有优异的摩擦磨损性能,而且具有良好的机械性能和导电性能,是一种综合性能优良的受电弓滑板。
Description
本发明是一种用新型的碳纤维增强碳基复合材料制成的受电弓滑板，应用于铁路电力机车上，属交通运输部车辆配件技术领域。
目前的电力机车受电弓滑板使用的材料主要有金属材料、粉末冶金材料和碳质材料等。金属滑板采用铜、钢、铝等制成，它具有强度高、韧性好、耐磨性能好和电阻率小的优点，但其耐电弧性能差，对接触网导线的磨损太大。目前这类金属滑板仅适用于强度要求特别高的应用场合。粉末冶金滑板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，它具有机械强度高、韧性好、抗冲击性强的优点，在使用中断裂、掉块、偏磨现象很少，但是它对铜接触网导线的磨损非常严重，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，在使用过程中，会在接触网导线上形成一层碳膜，大大改善了对接触网导线的磨损，同时，它还具有良好的接触稳定性，对无线电及电视的干扰极小。但是，碳质滑板本身的耐磨性能差、机械强度低、质脆、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。另外，由于生产中各种因素的波动，容易使碳质滑板性能不均匀，影响其使用寿命。
根据检索资料，八十年代以来研制了一种新型受电弓滑板：浸金属碳滑板。浸金属碳滑板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，这种滑板工艺复杂，成本较高，对铜接触网导线的磨损较大，而且抗冲击性能较差。另有一种碳-金属复合材料受电弓滑板，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。
本发明的目的在于根据上述现有电力机车受电弓滑板所存在的问题，提出采用一种新型复合材料来制造电力机车受电弓滑板，使滑板在保持碳质滑板优良的摩擦磨损性能的基础上，提高滑板的机械性能和导电性能。
为实现这样的发明目的，本发明的技术解决方案为：采用碳纤维增强碳基复合材料来制造电力机车受电弓滑板，即以镀铜碳粉末为基体材料，采用短碳纤维作为增强剂，并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，然后进行冷压和热压，使热固性树脂固化成型，得到所需的电力机车用碳纤维增强碳基复合材料受电弓滑板。
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30-60％，可根据用户对滑板电阻率的要求进行调整。镀铜粉末的粒度不大于40目，碳纤维增强剂采用长度不大于8mm、直径不大于20μm的碳纤维，其重量百分比为1-25％，粘结剂使用的热固性树脂可以是酚醛树脂，其用量为5-25％。
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。
电力机车用碳纤维增强碳基复合材料受电弓滑板的成型使用冷压和热压工艺。冷压压力不小于200MPa，时间不小于50s。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。热压压力不小于180MPa，保持压力时间不小于300s，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。烧结处理温度不低于120℃，时间不小于5小时，最好15小时以上。
下面结合几个具体的实施例来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1：使用20％碳纤维，10％酚醛树脂和固化剂，其余为镀铜碳粉末(含30％铜)，采用干态混料方式，首先在300MPa的压力下冷压2分钟，然后在200MPa的压力和160℃的温度下热压5分钟。制成的滑板密度为2.3g/cm3，电阻率为19.5μΩm，夏氏冲击值为0.35J/cm2。这种滑板可应用于接触网线路条件好，机车行驶速度慢，着重要求对接触网磨损要小的场合。
实施例2：使用10％碳纤维，15％酚醛树脂和固化剂，其余为镀铜碳粉末(含60％铜)，采用干态混料方式，首先在270MPa的压力下冷压1.5分钟，然后在270MPa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。制成的滑板密度为2.68g/cm3，电阻率为6.1μΩm，夏氏冲击值为0.4J/cm2。这种滑板可应用于接触网线路条件好，机车行驶速度较快，要求滑板电阻小、机械性能适当的场合。
实施例3：使用5％碳纤维，20％酚醛树脂和固化剂，其余为镀铜碳粉末(含50％铜)，采用湿态混料方式，首先在200MPa的压力下冷压1.5分钟，再在0.5MPa的压力下浸渍酚醛树脂3小时，然后在250MPa的压力和180℃的温度下热压10分钟。制成的滑板密度为2.73g/cm3，电阻率为12.7μΩm，夏氏冲击值为0.55J/cm2。这种滑板可应用于接触网线路条件差，机车行驶速度中等，要求滑板机械性能好的场合。
实施例4：使用5％碳纤维，25％酚醛树脂和固化剂，其余为镀铜碳粉末(含50％铜)，采用湿态混料方式，首先在200MPa的压力下冷压1.5分钟，然后在250MPa的压力和180℃的温度下热压10分钟，再在0.5MPa的压力下浸渍酚醛树脂3小时，最后在160℃的温度下烧结25小时。制成的滑板密度为2.68g/cm3，电阻率为50μΩm，夏氏冲击值为0.8J/cm2。这种滑板可应用于接触网线路条件差，机车行驶速度慢，着重要求滑板机械性能好的场合。
本发明制备的电力机车用碳纤维增强碳基复合材料受电弓滑板具有优异的摩擦磨损性能，对铜接触网导线的磨损程度之小是碳质滑板所不能达到的，而且这种复合材料具有良好的机械性能和导电性能，是一种综合性能优良的受电弓滑板。
Claims (4)
1、一种电力机车用碳纤维增强碳基复合材料受电弓滑板，其特征在于以铜含量在30-60％的镀铜碳粉末为基体材料，采用重量百分比为1-25％短碳纤维作为增强剂，采用用量为5-25％的热固性树脂作为粘结剂。
2、一种如权利要求1所说的电力机车用碳纤维增强碳基复合材料受电弓滑板的制造方法，其特征在于将原料采用湿态混合或干态混合后进行冷压和热压而成型，其冷压压力不小于200MPa，时间不小于50s，热压压力不小于180MPa，保持压力时间不小于300s。
3、一种如权利要求1所说的电力机车用碳纤维增强碳基复合材料受电弓滑板，其特征在于所说的镀铜碳基体材料包括镀铜石墨粉和镀铜焦炭粉，镀铜粉末的粒度不大于40目，碳纤维增强剂采用长度不大于8mm、直径不大于20μm的碳纤维，粘结剂使用的热固性树脂可以是酚醛树脂。
4、一种如权利要求2所说的电力机车用碳纤维增强碳基复合材料受电弓滑板的制造方法，其特征在于热压后再进行低温烧结处理，其温度不低于120℃，时间不小于5小时。
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