一種金屬型c/c復(fù)合材料碳滑條的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種金屬型C/C復(fù)合材料碳滑條的制備方法，屬于電力機(jī)車用材料制 備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力牽引的高速列車是通過受電弓碳滑板上的碳滑條與接觸網(wǎng)導(dǎo)線摩擦接觸，將 電網(wǎng)上的電流傳輸給機(jī)車電力系統(tǒng)，從而供給高速列車動(dòng)力，維持機(jī)車正常運(yùn)行的。
[0003] 目前，廣泛使用的碳滑條除純碳材料外，還有一種浸金屬型碳滑條。浸金屬碳滑條 比純碳滑條的工況更為苛刻，應(yīng)具有更低的電阻率，動(dòng)車組碳滑板暫行技術(shù)條件TJ/CL328-2014規(guī)定其電阻率應(yīng)<12μΩ ·πι。
[0004] 碳滑板在使用過程中，通過的電流高達(dá)500Α，會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象。當(dāng)滑板溫度過高 時(shí)，會(huì)造成粘結(jié)面開裂，滑板不能有效將電流傳遞給電力機(jī)車，嚴(yán)重時(shí)，碳滑條直接從滑板 上脫落，刮壞網(wǎng)線，嚴(yán)重威脅行車安全。因此，優(yōu)異的碳滑條應(yīng)具有高的熱容量。
[0005] 為確保電力機(jī)車的安全和可靠，金屬型碳滑條應(yīng)具備低電阻率、高熱容量和低成 本。目前，專利申請(qǐng)?zhí)?2138492.4"電力機(jī)車受電弓用碳纖維增強(qiáng)碳滑板及其制造方法"公 開了一種以石墨、銅粉為填料，短碳纖維為增強(qiáng)材料，采用模壓工藝生產(chǎn)碳滑條的方法，材 料的電阻率偏高，為8~12.8μ Ω · 1200910046875.4"網(wǎng)狀燒結(jié)碳-銅復(fù)合材料受電弓滑板 及其制造方法"將銅粉、石墨粉、鈦粉等與樹脂混合，涂覆于碳纖維布上，經(jīng)熱壓固化、燒結(jié) 等工序制備了碳滑條，其電阻率為9.6~18.8μΩ · m。專利申請(qǐng)?zhí)?01310111822.2"一種受 電弓滑板用復(fù)合材料及其制備方法"公開了一種采用碳纖維與銅絲的三維編織體，經(jīng)化學(xué) 氣相沉積和樹脂浸漬-碳化工藝制備的碳滑條，電阻率為5.7~8.1μ Ω · m。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有金屬型碳纖維滑板電阻率大、工藝成本高 的問題，提供一種便于工業(yè)化應(yīng)用的、低電阻率的、低成本的、高熱容量的金屬型C/C復(fù)合材 料碳滑條的制備方法。
[0007] 本發(fā)明一種金屬型C/C復(fù)合材料碳滑條的制備方法，包括下述步驟：
[0008] 步驟一
[0009] 將單層0°無煒炭布，炭纖維網(wǎng)胎、石墨粉、銅材、單層90°無煒炭布、炭纖維網(wǎng)胎、石 墨粉、銅材、單層〇°無煒炭布依次循環(huán)疊加后，采用接力式針刺的方法在垂直于鋪層方向引 入炭纖維束制成密度為0.6~2.6g/cm 3的2.5D炭纖維針刺整體氈;所述銅材選自銅粉、銅 網(wǎng)、短銅絲中的一種，所述2.f5D炭纖維針刺整體氈中，石墨粉的質(zhì)量百分含量為1%~10%; 銅材的質(zhì)量百分含量為20-90%、優(yōu)選為25-75%，進(jìn)一步優(yōu)選為50-75% ;
[0010] 步驟二
[0011]以步驟一所得2.5D炭纖維針刺整體氈為框架，對(duì)框架進(jìn)行化學(xué)氣相沉積熱解碳處 理;得到〇/(：-(：11復(fù)合材料;所述0/(：-(：11復(fù)合材料的密度為框架密度的1.5-2.2倍、優(yōu)選為 1.5-1.8倍，進(jìn)一步優(yōu)選為1.5-1.6倍；
[0012] 步驟三
[0013] 按設(shè)計(jì)滑條的尺寸，對(duì)步驟二所得C/C-Cu復(fù)合材料進(jìn)行機(jī)械加工，并預(yù)留加工余 量后進(jìn)行聚合物浸漬-炭化處理，得到成品;所述成品密度為步驟二所的C/C-Cu復(fù)合材料密 度的1.02-1.15倍、優(yōu)選為1.04-1.12倍，進(jìn)一步優(yōu)選為1.10-1.12倍。
[0014] 本發(fā)明步驟一中，所使用的石墨粉為鱗片石墨或顆粒石墨，所述石墨粉的粒度小 于等于150微米，優(yōu)選為38-150微米、進(jìn)一步優(yōu)選為50-150微米。
[0015]本發(fā)明步驟一中，所使用的銅粉為紫銅粉、銅合金粉，粒度為100~325目，所使用 銅網(wǎng)的目數(shù)為20~100目、銅網(wǎng)所用絲的直徑為0.05~0.2mm、銅網(wǎng)的材質(zhì)選自紫銅、磷青 銅、黃銅中的一種，所使用短銅絲的直徑為〇. 05~0.2mm，長度為2~20mm，短銅絲的材質(zhì)選 自紫銅、磷青銅、黃銅中的一種。
[0016]本發(fā)明步驟二中，化學(xué)氣相沉積熱解碳處理的條件參數(shù)為：
[0017]碳源氣體選自丙烯、天然氣、甲烷中的至少一種；
[0018] 稀釋氣體選自氮?dú)?、氫氣中的至少一種；
[0019] 碳源氣體和稀釋氣體的體積比為08. -1.2:2.8-3.2、優(yōu)選為1:3。
[0020] 本發(fā)明步驟三中，聚合物浸漬-炭化處理所用聚合物浸漬液為樹脂溶液。優(yōu)選為瀝 青和呋喃樹脂組成的混合溶液或呋喃樹脂溶液。
[0021] 本發(fā)明步驟三中，按設(shè)計(jì)滑條的尺寸，對(duì)步驟二所得C/C-Cu復(fù)合材料進(jìn)行機(jī)械加 工，并預(yù)留加工余量后，置于40-80°C、優(yōu)選為50-70°C、進(jìn)一步優(yōu)選為55-65°C的聚合物浸漬 液中，采用加壓浸漬的方式浸漬處理1-3小時(shí)后，升溫至180-210°C進(jìn)行固化處理2.5-3.5小 時(shí)；固化完成后進(jìn)行碳化處理，碳化處理時(shí)，控制溫度為830-880°C，單次碳化處理的時(shí)間為 40-60小時(shí);按浸漬/固化/碳化處理的方式循環(huán)操作直至得到得到成品。
[0022]本發(fā)明步驟三中，采用加壓浸漬時(shí)，控制浸漬壓力為l_3MPa。
[0023] 原理和優(yōu)勢
[0024] (1)本發(fā)明通過適量的各種原材料和制備工藝的協(xié)同作用，取得意想不到的結(jié)果， 尤其是在所制備材料，在銅含量相當(dāng)?shù)那闆r下，其電阻率較現(xiàn)有材料有顯著下降。
[0025] (2)本發(fā)明采用工藝簡單，工藝成本低，能顯著提高產(chǎn)品的競爭力，便于工業(yè)化生 產(chǎn)。
[0026] 具體實(shí)施
[0027]對(duì)比例1:專利申請(qǐng)?zhí)?01310111822.2"一種受電弓滑板用復(fù)合材料及其制備方 法"制備了銅絲質(zhì)量含量為25%，坯體密度為l.Og/cm3的氈體，通過化學(xué)氣相沉積和浸漬-碳化處理，獲得最終密度為1.96g/cm3的樣品，其電阻率為5.67μ Ω · m，見表1。
[0028] 對(duì)比例2:
[0029]采用密度為0.56g/cm3的2.5D炭纖維針刺整體氈為預(yù)制體，通過化學(xué)氣相滲透工 藝和樹脂浸漬-炭化工藝制備的密度為1.74g/cm3的C/C復(fù)合材料，具體性能見表1。
[0030] 實(shí)施例1:
[0031] 采用銅絲直徑為0.12mm，目數(shù)為40目，質(zhì)量含量為23%的紫銅網(wǎng)、石墨粉(質(zhì)量百 分含量為10 %)、碳纖維，制成密度為〇. 94g/cm3的2.5D炭纖維針刺整體氈，通過化學(xué)氣相滲 透工藝制備了密度為1.72g/cm3的C/C復(fù)合材料，經(jīng)過兩次樹脂浸漬-炭化工藝，制備了密度 為1.96g/cm3的C/C復(fù)合材料。
[0032]本實(shí)施例中的C/C受電弓滑條主要通過以下步驟制備而來：
[0033] (1)首先，采用日本東麗公司（Toray)生產(chǎn)的PAN型T700(12K)炭纖維制成網(wǎng)胎和無 煒布，將單層0°無煒布、網(wǎng)胎層、石墨粉(粒度為100微米）、紫銅網(wǎng)、單層90°無煒布、網(wǎng)胎層、 石墨粉(粒度為100微米）、紫銅網(wǎng)、單層0°無煒布依次循環(huán)疊加，然后，采用接力式針刺的方 法制成密度為0.94g/cm 3的炭纖維預(yù)制體。
[0034] (2)采用丙烯為碳源氣體，氮?dú)鉃橄♂寶?，丙烯與氮?dú)獾捏w積比為1:3,采用化學(xué)氣 相滲透法對(duì)預(yù)制體在850°C下沉積熱解碳，沉積320小時(shí)后制得密度為1.78g/cm3的C/C復(fù)合 材料。
[0035] (3)采用設(shè)計(jì)的石墨工裝將上述切割成的C/C滑條放入真空-壓力浸漬罐中，以呋 喃樹脂為浸漬劑，采用高壓浸漬工藝處理。浸漬前，試樣應(yīng)先預(yù)熱，浸漬溫度為60°C，浸漬壓 力為2MPa，保壓時(shí)間為1.5小時(shí)。之后，升溫至200°C，保溫約3小時(shí)進(jìn)行固化。固化后轉(zhuǎn)炭化 爐進(jìn)行炭化處理，炭化溫度為850°C。循環(huán)兩次后，制品密度達(dá)到1.96g/cm 3，具體性能見表 1〇
[0036] 實(shí)施例2:
[0037]采用密度為1.25g/cm3的2.5D炭纖維針刺整體氈為預(yù)制體，其中，預(yù)制體中包含有 銅粉，銅粉為-200目電解紫銅粉，質(zhì)量含量為71%;石墨粉的質(zhì)量百分含量為5%。通過化學(xué) 氣相滲透工藝制備了密度為2.24g/cm 3的C/C復(fù)合材料，經(jīng)過三次樹脂浸漬-炭化工藝，制備 了密度為2 · 47g/cm3的C/C復(fù)合材料。
[0038]本實(shí)施例中的C/C受電弓滑條主要通過以下步驟制備而來：
[0039] (1)首先，采用日本東麗公司（Toray)生產(chǎn)的PAN型T700(12K)炭纖維制成網(wǎng)胎、無 煒布。將單層0°無煒布、網(wǎng)胎層、石墨粉(粒度為150微米）、紫銅粉(粒度為75微米）、單層90° 無煒布、網(wǎng)胎層、石墨粉(粒度為150微米）、紫銅粉(粒度為75微米）、單層0°無煒布依次循環(huán) 疊加，然后，采用接力式針刺的方法制成密度為1.25g/cm 3的炭纖維預(yù)制體。
[0040] (2)采用丙烯為碳源氣體，氫氣為稀釋氣，丙烯與氫氣的體積比為1:3,采用化學(xué)氣 相滲透法對(duì)預(yù)制體在850°C下沉積熱解碳，沉積380小時(shí)后制得密度為2.24g/cm3的C/C復(fù)合 材料。
[0041] (3)采用設(shè)計(jì)的石墨工裝將上述切割成的C/C滑條放入真空-壓力浸漬罐中，以呋 喃樹脂為浸漬劑，采用高壓浸漬工藝處理。浸漬前，試樣預(yù)熱至70°C，浸漬時(shí)，控制浸漬溫度 為60°C、浸漬壓力為2MPa，保壓時(shí)間為1.5小時(shí)。之后，升溫至200°C，保溫約3小時(shí)進(jìn)行固化。 固化后轉(zhuǎn)炭化爐進(jìn)行炭化處理，炭化溫度為850°C。循環(huán)浸漬/碳化三次后，制品密度達(dá)到 2.47g/cm 3,具體性能見表1〇 [0042] 實(shí)施例3:
[0043]采用密度為0.89g/cm3的2.5D炭纖維針刺整體氈為預(yù)制體，其中，預(yù)制體中包含有 黃銅絲，短黃銅絲的直徑為0.2mm，長度為5mm，質(zhì)量含量為50 %，石墨粉的質(zhì)量百分含量為 2%;通過化學(xué)氣相滲透工藝制備了密度為1.92g/cm3的C/C復(fù)合材料，經(jīng)過三次樹脂浸漬-炭化工藝，制備了密度為2.21g/cm 3的C/C復(fù)合材料。
[0044] 本實(shí)施例中的C/C受電弓滑條主要通過以下步驟制備而來：
[0045] (1)首先，采用日本東麗公司（Toray)生產(chǎn)的PAN型T700(12K)炭纖維制成網(wǎng)胎和無 煒布，將單層0°無煒布、網(wǎng)胎層、石墨粉(粒度為38微米）、短銅絲（直徑為0.1mm、長度為 20mm)、單層90°無煒布、網(wǎng)胎層、、石墨粉(粒度為150微米）、短銅絲(直徑為0.1mm、長度為 20mm)、單層0°無煒布依次循環(huán)疊加，然后，采用接力式針刺的方法制成密度為0.89g/cm 3的 炭纖維預(yù)制體。
[0046] (2)采用丙烯為碳源氣體，氮?dú)鉃橄♂寶猓┡c氮?dú)獾捏w積比為1:3,