本發(fā)明涉及一種新型銅/炭基復合材料的制備，特別涉及一種高導電高導熱自潤滑的材料制備方法。

背景技術：

近年來，為緩解日益增長的旅客數量與鐵路運力不足的矛盾，提高鐵路的運營效率，我國相繼開通了時速達到250km/h和350km/h的高速動車組列車。高速動車組列車儼然成為了運行速度最快、效率最高的路上交通工具。受電弓/接觸網系統是電力機車動力的源泉，兩者通過滑動接觸將電流引入機車，驅動機車運行，傳輸功率高達10000kw。隨著鐵路向高速化、電氣化方向發(fā)展，受電弓滑板材料也需要改進和升級換代。

受電弓滑板是一種要求兼具高強度、高韌性、低電阻、耐磨以及自潤滑特性的滑動電接觸材料?，F役受電弓滑板主要有粉末冶金滑板、純炭滑板和浸金屬碳滑板。粉末冶金滑板具有機械強度較高、韌性好、抗沖擊性強、電阻小、有利于載流以及維護安裝等優(yōu)點，但隨著高速化和集電電流的增加，滑板和架空導線的磨耗率大；純炭滑板自潤滑性和減磨性能好，在與銅接觸導線摩擦時可在導線上持續(xù)補給潤滑炭膜，具有減少導線磨損的效果。但純炭滑板固有電阻大，集電容量小，接觸區(qū)溫度高，易引起導線過熱氧化腐蝕；浸金屬炭滑板一定程度上改善了純碳滑板電阻率高的問題，然而該類滑板中銅金屬不能很好地形成連續(xù)的三維網絡結構，難以完全發(fā)揮銅合金低電阻的優(yōu)勢。

泡沫銅是一種在銅基體中均勻分布著大量連續(xù)空洞的新型多功能材料。泡沫銅具有連續(xù)三維網狀結構，導電性和延展性好，且制備成本較低，常被用于電池基體材料的制備。

目前已經有專利提到使用樹脂浸漬泡沫銅的方法制備泡沫銅/碳基復合材料，但其所開發(fā)的產品極易出現裂紋，進而使得其適用范圍受到限制。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是針對現有技術的不足，而提供一種工藝簡單、致密效果好、機械強度高、無裂紋、導電性能好、具有自潤滑能力、使用性能優(yōu)異的受電弓滑板用銅/炭基受電弓滑板的制備方法。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復合材料的制備方法；包括下述步驟：

步驟一化學氣相沉積

以泡沫銅作為銅源，通過化學氣相沉積在泡沫銅的孔隙以及表面沉積熱解碳，得到半成品；所述泡沫銅為具有連通網狀結構的泡沫銅，所述泡沫銅的孔隙率為60-98％、通孔率大于98％；

步驟二浸漬-碳化

將步驟一所得半成品包埋于混合粉體a中，在3-10mpa于540-560℃進行加壓浸漬，浸漬完成后，在800-950℃進行碳化；得到預成品；所述混合粉體a由瀝青焦、短纖維、石墨、煤油瀝青按質按量比，瀝青焦：短纖維：石墨：煤油瀝青＝5-25:5-15:3-20:50-87組成；

步驟三

重復步驟二的加壓浸漬和碳化處理至少2次，得到成品。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復合材料的制備方法；所述泡沫銅中，孔隙的孔徑為0.1-10mm、優(yōu)選為1.5mm；所述泡沫銅的孔數為5-130ppi、優(yōu)選為15ppi。作為優(yōu)選方案，所述泡沫銅的厚度為5-130mm。在工業(yè)上應用時，使用質量分數為10％稀鹽酸在超聲波下對泡沫銅除氧化物活化，然后用蒸餾水清洗，烘干備用。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復合材料的制備方法；所述泡沫銅為具有連通網狀結構的泡沫銅，其為產品具有優(yōu)良的導電導熱性能提供了必要條件。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復合材料的制備方法；化學氣相沉積時，反應氣由碳源氣和稀釋氣配制而成，碳源氣為丙烯，稀釋氣為n2，其中，按摩比計，碳源氣∶稀釋氣＝1∶4-1：6，沉積時，控制溫度為800-900℃、優(yōu)選為840-860℃、進一步優(yōu)選為850℃，時間為50-150小時、優(yōu)選為80-120小時、進一步優(yōu)選為100小時。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復合材料的制備方法；混合粉體a是通過下述方案制備的；

以50-200目的瀝青焦、長度為200um-1000um的短纖維、50-500目的石墨、煤油瀝青為原料；按設計組分配取各原料后，置于球磨罐中，球磨4-8小時，得到各組分混合均勻的混合粉體a。

作為優(yōu)選方案，其球磨的參數為：使用行星式球磨機，轉速為180-220轉/分鐘，球磨時間4-8小時，球料比不大于3:1，加料量不超過球墨罐容積的一半。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復合材料的制備方法；所述混合粉體a由瀝青焦、短纖維、石墨、煤油瀝青按質按量比，瀝青焦：短纖維：石墨：煤油瀝青＝5-25:5-15:3-20:50-87組成。

作為進一步的優(yōu)選方案之一，所述混合粉體a，以質量百分比計，包括下述組分：

瀝青焦20％；

短纖維8％；

石墨15％；

煤油瀝青57％。

作為進一步的優(yōu)選方案之一，所述混合粉體a，以質量百分比計，包括下述組分：

瀝青焦30％；

短纖維8％；

石墨8％；

煤油瀝青54％。

作為進一步的優(yōu)選方案之一，所述混合粉體a，以質量百分比計，包括下述組分：

瀝青焦20％；

短纖維15％；

石墨8％；

煤油瀝青57％。

作為進一步的優(yōu)選方案，所述短纖維優(yōu)選為短碳纖維。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復合材料的制備方法；步驟二中，單次高壓浸漬的時間為2-10h、優(yōu)選為6-8h。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復合材料的制備方法；步驟二中，單次碳化的時間為10-20h、優(yōu)選為15-18min。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復合材料的制備方法；步驟二中，所述石墨優(yōu)選為鱗片石墨、進一步優(yōu)選為天然鱗片石墨。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復合材料的制備方法；步驟三中，重復步驟二的加壓浸漬和碳化處理2-4次，得到成品。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復合材料的制備方法；所得成品的致密度為85-95％。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復合材料的制備方法；所得成品的壓縮強度為80-95mpa，電阻率0.32-1.1μωm，沖擊強度1.1-1.8j·cm^-2。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復合材料的制備方法；所得成品在電流50a、速度150km/h、載荷100n條件下其動態(tài)磨損率為4.0-5.1mm/10000km，平均摩擦系數為0.18-0.21。

本發(fā)明預制體選用特殊的泡沫銅，實現了金屬銅在復合材料中形成互為連通狀的網絡結構，為在載流狀態(tài)下電子的運動提供了低電阻“通道”，所引入的適量熱解炭的引入既提高了耐磨性及改善了炭與銅金屬的潤濕性，增強泡沫銅與炭基體的結合。本發(fā)明通過設計特殊組成的浸漬體系(如混合物a)瀝青焦，鱗片石墨，短切碳纖維和煤油瀝青，在避免裂紋產生的同時，保證了復合材料高的強度和優(yōu)良的摩擦磨損性能。

原理和優(yōu)勢

本發(fā)明結合了泡沫銅優(yōu)良導電性和純炭滑板低摩擦系數低的優(yōu)點，是以泡沫銅為預制體，通過數次浸漬炭化煤油瀝青、鱗片石墨、瀝青焦和短纖維，完成材料的致密化過程，制備出高導電低潤滑的銅/炭基復合材料。該復合材料具有泡沫銅的三維網狀結構保證了材料優(yōu)良的導電性能，瀝青炭基體與純炭滑板相同，同時制備工藝簡單容易控制、制備成本低。

與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果體現在：

(1)原材料和生產設備常見，生產工藝簡單易控。

(2)使用氣相沉積法在泡沫銅基體上沉積熱解炭，改善炭元素與銅金屬的界面結合，碳基體與銅金屬的界面結合良好，提高了材料的導電性，減少缺陷提高耐磨性。

(3)特殊組分的浸漬體系(如混合物a)的引入，使瀝青的殘?zhí)柯实玫教岣撸瑫r最后炭化工藝中瀝青體積膨脹變小，更容易實現試樣的致密化；

(4)使用煤油瀝青為粘結劑、在煤油瀝青和其他組分的協同作用下，得到殘?zhí)柯矢?、切內應力小的成?相對于樹脂)；所得產品在具有優(yōu)良強度和韌性的同時還具有優(yōu)異的潤滑性能，當其與與銅導線配副摩擦，還展現出良好的摩擦性能。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明所設計的銅/炭基復合材料的制備流程示意圖；

附圖2為實例1不同制備階段所得材料的微觀組織照片圖；

附圖3為實例一、實例二與實例三所得成品的摩擦曲線圖；

附圖4為對比例2所得成品的微觀組織照片圖；

附圖5為對比例1所得成品的的摩擦曲線圖；

附圖6為對比例2所得成品的的摩擦曲線圖；

附圖7為對比例3所得成品的的摩擦曲線圖.

從圖1中可以看出本發(fā)明所設計的銅/炭基復合材料的制備流程。

圖2由a、b、c、d四幅圖組成，其中a表述表面活化后的泡沫銅，b表示化學氣相沉積碳后的泡沫銅，c、d分別表示所制備成品中不同位置的微觀組織照片圖。從圖2中可以看出，表面活化后的泡沫銅孔隙率高、通空率高且泡沫銅為具有連通網狀結構；化學氣相沉積碳后，碳均勻包覆在泡沫銅的網狀結構的網絲以及節(jié)點上；得到成品后，成品致密度高，熱解碳、沉積碳、泡沫銅之間無裂紋。

從圖3可以看出實例一、實例二與實例三所得成品的摩擦情況。

圖4由a，b兩幅圖組成，表示所制備泡沫銅/樹脂炭基復合材料不同倍率的微觀組織照片圖。從圖中可以看出來，銅/樹脂炭復合材料的基體上和基體與泡沫銅界面處均有較為嚴重的裂紋出現。

從圖5中可以看出對比例1所得成品的的摩擦情況。

從圖6中可以看出對比例2所得成品的的摩擦情況。

從圖7中可以看出對比例3所得成品的的摩擦情況。

具體實施方式

實例一

制備過程和工藝參數為：

(1)選取泡沫銅尺寸和性能：孔徑1mm，孔隙率90％，銅含量大于99％，孔數為30ppi，連通率大于98％，密度0.45g/cm²，尺寸為40mm*100mm*100mm。使用質量分數為10％稀鹽酸在超聲波下對泡沫銅去氧化物活化，然后用蒸餾水清洗，烘干備用。

(2)采用化學氣相滲透工藝對泡沫銅預制體進行熱解炭增密，反應氣由碳源氣和稀釋氣配制而成，碳源氣為丙烯，稀釋氣為n2，稀釋比為碳源氣∶稀釋氣＝1∶6，沉積溫度為800℃，沉積總時間50小時；

(3)瀝青焦含量為20％，瀝青焦選用100目；短切碳纖維含量為8％，短纖維長度為500um；潤滑組元選用天然鱗片石墨，150目，含量15％；粘結劑選用煤油瀝青，含量57％。將一定比例的煤油瀝青、鱗片石墨、瀝青焦和短切碳纖維粉末放入球磨罐，進行三個小時的均勻混料和球磨。

(4)將處理過的泡沫銅放入高壓發(fā)生釜，而后加入混好的瀝青等粉末包埋泡沫銅；加熱到150-200℃使瀝青軟化，然后加壓到5mpa浸漬；最后在加壓條件下，以每分鐘60℃升溫到550℃，保溫一個小時，完成預炭化，得到半焦狀預制體；固化后轉炭化爐進行炭化處理，炭化溫度為800-950℃；上面的浸漬炭化工藝進行三次實現材料的基本致密化。

該銅/炭基復合材料基體炭與銅金屬界面結合良好，銅網分布均勻，壓縮強度為80mpa，電阻率0.5μωm，沖擊強度1.1j·cm^-2，由此可見，該滑板材料具有密度低、電阻率小等優(yōu)點。經載流磨損試驗表明，在電流50a、速度150km/h、載荷100n條件下，該銅/炭基復合材料材料動態(tài)磨損率為5.1mm/10000km，平均摩擦系數為0.18(如圖3)，各項指標達到現代電力機車用滑板材料的要求。

實例二：

制備過程和工藝參數為：

(1)選取泡沫銅尺寸和性能：孔徑1mm，孔隙率90％，銅含量大于99％，孔數為20ppi，連通率大于98％，密度0.45g/cm²，尺寸為40mm*100mm*100mm。使用質量分數為10％稀鹽酸在超聲波下對泡沫銅去氧化物活化，然后用蒸餾水清洗，烘干備用。

(2)采用化學氣相滲透工藝對泡沫銅預制體進行熱解炭增密，反應氣由碳源氣和稀釋氣配制而成，碳源氣為丙烯，稀釋氣為n2，稀釋比為碳源氣∶稀釋氣＝1∶6，沉積溫度為800℃，沉積總時間50小時；

(3)瀝青焦含量為30％，瀝青焦選用100目；短切碳纖維含量為8％，短纖維長度為250um；潤滑組元選用天然鱗片石墨，150目，含量8％；粘結劑選用煤油瀝青，含量54％。將一定比例的煤油瀝青、鱗片石墨、瀝青焦和短切碳纖維粉末放入球磨罐，進行三個小時的均勻混料和球磨。

(4)將處理過的泡沫銅放入高壓發(fā)生釜，而后加入混好的瀝青等粉末包埋泡沫銅；加熱到150-200℃使瀝青軟化，然后加壓到5mpa浸漬；最后在加壓條件下，以每分鐘80℃升溫到550℃，保溫一個小時，完成預炭化，得到半焦狀預制體；固化后轉炭化爐進行炭化處理，炭化溫度為800-950℃；上面的浸漬炭化工藝進行三次實現材料的基本致密化。

該銅/炭基復合材料基體炭與銅金屬界面結合良好，銅網分布均勻，壓縮強度為90mpa，電阻率1.1μωm，沖擊強度1.8j·cm^-2，由此可見，該滑板材料具有密度低、電阻率小等優(yōu)點。經載流磨損試驗表明，在電流50a、速度150km/h、載荷100n條件下，該銅/炭基復合材料材料動態(tài)磨損率為4.0mm/10000km，平均摩擦系數為0.18(如圖3)，各項指標達到現代電力機車用滑板材料的要求。

實例三：

制備過程和工藝參數為：

(1)選取泡沫銅尺寸和性能：孔徑1mm，孔隙率85％，銅含量大于99％，孔數為30ppi，連通率大于98％，密度0.51g/cm²，尺寸為40mm*100mm*100mm。使用質量分數為10％稀鹽酸在超聲波下對泡沫銅去氧化物活化，然后用蒸餾水清洗，烘干備用。

(2)采用化學氣相滲透工藝對泡沫銅預制體進行熱解炭增密，反應氣由碳源氣和稀釋氣配制而成，碳源氣為丙烯，稀釋氣為n2，稀釋比為碳源氣∶稀釋氣＝1∶6，沉積溫度為800℃，沉積總時間50小時；

(3)瀝青焦含量為20％，瀝青焦選用100目；短切碳纖維含量為15％，短纖維長度為250um；潤滑組元選用天然鱗片石墨，150目，含量8％；粘結劑選用煤油瀝青，含量57％。將一定比例的煤油瀝青、鱗片石墨、瀝青焦和短切碳纖維粉末放入球磨罐，進行三個小時的均勻混料和球磨。

(4)將處理過的泡沫銅放入高壓發(fā)生釜，而后加入混好的瀝青等粉末包埋泡沫銅；加熱到150-200℃使瀝青軟化，然后加壓到5mpa浸漬；最后在加壓條件下，以每分鐘60℃升溫到550℃，保溫一個小時，完成預炭化，得到半焦狀預制體；固化后轉炭化爐進行炭化處理，炭化溫度為800-950℃；上面的浸漬炭化工藝進行三次實現材料的基本致密化。

該銅/炭基復合材料基體炭與銅金屬界面結合良好，銅網分布均勻，壓縮強度為85mpa，電阻率0.32μωm，沖擊強度1.3j·cm^-2，由此可見，該滑板材料具有密度低、電阻率小等優(yōu)點。經載流磨損試驗表明，在電流50a、速度150km/h、載荷100n條件下，該銅/炭基復合材料材料動態(tài)磨損率為4.3mm/10000km，平均摩擦系數為0.21(如圖3)，各項指標達到現代電力機車用滑板材料的要求。

對比例1

其他的條件參數和制備方法完全和實施例1一致，不同之處在于省去了化學氣相沉積熱解碳的步驟，其所得產品的性能為:壓縮強度為65mpa，電阻率1.8μωm，沖擊強度0.85j·cm-2。經載流磨損試驗表明，在電流50a、速度150km/h、載荷100n條件下，該銅/炭基復合材料材料動態(tài)磨損率為7.0mm/10000km，平均摩擦系數為0.22(如圖5)，由此可以看出，其所得產品的性能遠遠差于本發(fā)明的實施例1.

對比例2

其他的條件參數和制備方法完全和實施例1一致，不同之處在于浸漬時，煤油瀝青跟換成樹脂(如圖4)，其所得產品的性能為:壓縮強度為54mpa，電阻率2.5μωm，沖擊強度0.77j·cm-2。經載流磨損試驗表明，在電流50a、速度150km/h、載荷100n條件下，該銅/炭基復合材料材料動態(tài)磨損率為8.8mm/10000km，平均摩擦系數為0.23(如圖6)，由此可以看出，其所得產品的性能遠遠差于本發(fā)明的實施例1.

對比例3

其他的條件參數和制備方法完全和實施例1一致，不同之處在于浸漬時，瀝青焦15％；短纖維35％；石墨15％；煤油瀝青35％。，其所得產品的性能為:壓縮強度為45mpa，電阻率0.8μωm，沖擊強度0.56j·cm-2。經載流磨損試驗表明，在電流50a、速度150km/h、載荷100n條件下，該銅/炭基復合材料材料動態(tài)磨損率為10.2mm/10000km，平均摩擦系數為0.26(如圖7)；由此可以看出，其所得產品的性能遠遠差于本發(fā)明的實施例1。由實施例和對比例可以看出，本發(fā)明所設計的方案中，其中一個組元或幾個組元不在本發(fā)明所限定的范圍內時，其很難達到本發(fā)明所設計方案所能達到的效果。