一种基于3D打印的碳纤维增强受电弓碳滑板的制备方法技术

一种基于3D打印的碳纤维增强受电弓碳滑板的制备方法，包括以下步骤：S1、准备打印原料，包括打印浆料和碳纤维布，打印浆料包括热固性酚醛树脂颗粒、石墨粉、丁腈橡胶颗粒、铜纳米颗粒、增强纤维和光敏树脂；S2、构建三维模型并将其输入3D打印编辑软件中，设定3D打印工艺参数；S3、在成型缸的成型基板上方设置温度控制装置和温度监控装置，密封3D打印设备的工作区域并充入氩气保护；在成型缸逐层填入打印浆料并铺设碳纤维布，开始光固化成型3D打印碳滑板坯件；S4、对碳滑板坯件依次进行脱脂处理、焙烧处理，洗涤并烘干后进行预热和浸铜处理，即完成制备。该方法可实现碳滑板的快速制备，原料利用率高，所制备的碳滑板具有优良的综合性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印的碳纤维增强受电弓碳滑板的制备方法
本专利技术涉及一种基于3D打印的碳纤维增强受电弓碳滑板的制备方法，属于受电弓碳滑板的制备

技术介绍
电力机车运行过程中，所需的电能是由地面供电系统通过接触网经受电弓获得，受电弓传输的能量经过整流设备、发动机将电能转化为机械能，从而为机车提供牵引力来使电力机车工作，因此受电弓与接触网导线的可靠接触是列车能够正常运行的重要保障。受电弓滑板是机车供电系统中的最重要集电元件，它安装在受电弓上，与接触网导线接触，将输电网上的电流引导下来，传输给机车供电系统，来维持电力机车正常运行。随着高速列车运行速度的大幅度提升、运行环境及弓网结构特性的巨大改变，高速列车保持稳定的受流质量对受电弓滑板提出了更高的技术要求。目前，纯碳滑板、浸金属碳滑板是主要的受电弓滑板材料。纯碳材料滑板对导线磨耗低，可延长导线使用寿命，但其机械强度低、易出现断裂、掉块现象，耐冲击性差，使用寿命低。特别是在环境不好的情况下，易局部拉沟，常出现弓网事故。浸金属碳滑板具有较好的性能，基本解决了碳滑板机械强度低的问题，但现有技术制备的浸金属碳滑板普遍存在制备工艺复杂，易掉块和抗冲击力不足的缺点。碳纤维增强复合材料由于具有电阻率设计性强、比强高、比重小、力学性能好、对接触导线的磨损小好优点，成为了高性能受电弓滑板较为理想的材料。现有技术对碳纤维增强复合材料作为碳滑板材料进行了一些研究，但普遍存在机械强度不高，制备工艺复杂，原料浪费等问题。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是提供一种基于3D打印的碳纤维增强受电弓碳滑板的制备方法，该方法可实现碳滑板的快速制备，原料利用率高，节约制备成本且而可减少环境污染和原材料浪费，所制备的碳滑板具有优良的综合性能，解决了现有碳纤维复合材料受电弓滑板存在的层间开裂，耐磨性和稳定性差等问题，同时解决了现有浸渍金属碳滑板制备工艺复杂且浸渍金属效率低下的问题。本专利技术实现其专利技术目的所采取的技术方案是：一种基于3D打印的碳纤维增强受电弓碳滑板的制备方法，包括以下步骤：S1、准备打印原料，所述打印原料包括打印浆料和碳纤维布，打印浆料包括热固性酚醛树脂颗粒、石墨粉、丁腈橡胶颗粒、铜纳米颗粒、增强纤维和光敏树脂；所有打印原料的质量百分比为：碳纤维布15％-25％、热固性酚醛树脂颗粒20％-30％、石墨粉15％-25％、丁腈橡胶颗粒3％-6％、铜纳米颗粒8％-15％、增强纤维10％-20％和光敏树脂15％-25％，其中增强纤维包括硅灰石纤维和短切碳纤维，二者质量比为1:0.5-1：2；S2、构建所需制备碳滑板的三维模型并将其输入3D打印编辑软件中，编辑后进行二维化处理，确定每个打印层面的二维切片数据，将二维切片数据和碳纤维布厚度导入3D打印设备，设定3D打印工艺参数，包括打印路径、打印层面厚度和光照时间；S3、在成型缸的成型基板上方设置温度控制装置和温度监控装置，密封3D打印设备的工作区域并充入氩气保护；在成型缸逐层填入打印浆料并铺设碳纤维布，开始光固化成型3D打印碳滑板坯件，具体打印方式是：s31、预热成型基板后，在成型缸内填入一层打印浆料；s32、3D打印设备的光源按照预先设定打印路径，选择性地对成型基板上的打印浆料进行扫描，光敏树脂固化，完成坯件第一个打印层面的打印；s33、在完成打印的坯件打印层面上铺设一层预热至碳纤维布设定温度的碳纤维布；然后在碳纤维布上填入一层打印浆料，并通过温度控制装置加热打印浆料温度至浆料设定温度；s34、3D打印设备的光源按照预先设定打印路径，选择性地对成型基板上的打印浆料进行扫描，光敏树脂固化，完成坯件当前打印层面的打印；s35、重复步骤S33-S34至坯件打印完成，去除多余的碳纤维布及打印浆料，得到成形的碳滑板坯件；S4、对碳滑板坯件依次进行脱脂处理、焙烧处理，洗涤并烘干后进行预热和浸铜处理，即完成碳纤维增强受电弓碳滑板的制备；所述浸铜处理采用真空压力浸铜方法，浸铜压力8-12MPa、浸铜温度1300-1400℃，浸铜时间10-30min。所述碳纤维布设定温度和浆料设定温度通过预实验获得，浆料设定温度可以在保证打印浆料不受高温破坏的前提下，使得前打印层面与碳纤维布下面的打印层面之间良好融合，避免层间未融合缺陷，通过浆料设定温度和碳纤维布设定温度控制打印层面的层间温度，不仅可使得碳纤维布与已经完成打印的坯件打印层面之间结合界面良好，还可以增强当前打印层面与碳纤维布之间的结合界面，有利于提高3D打印碳滑板成型质量。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、长碳纤维增强复合材料虽然在性能上具有更多优势，但其制备工艺较为局限，在3D打印
更是有较多的技术瓶颈。所以，在碳纤维增强复合材料制备
，短切碳纤维增强复合材料制备工艺简单、可操作性强，具有一定优势。但是，在短切碳纤维增强复合材料中，碳纤维含量过少无法起到增强作用，含量过多容易出现分布不均匀、团聚等问题，也无法起到良好的增强效果，传统的短切碳纤维增强复合材料中短碳纤维排列是杂乱无章的，增强效果有限。本专利技术结合碳纤维布(长纤维)和短纤维共同增强效果，短碳纤维在打印层面中分散分布、碳纤维布分布于打印层面之间，即使在高增强纤维含量的情况下，也不会出现团聚等现象，在增强碳滑板的力学性能和耐磨性能的同时，还提高了碳滑板的导电性能。分散分布的短切碳纤维和与基体交替分布的碳纤维布保证了碳滑板的强度、在摩擦时的稳定性和导电性，硅灰石纤维作为增强纤维也可明显降低碳滑板的磨损量。2、本专利技术采用光固化3D打印的方法制备碳滑板，不仅具有制备工艺简单，制备效率高，成型精度高，避免原材料浪费等优势，且光敏树脂的脱脂使得碳滑板内部存在孔隙，使浸渍的金属呈均匀分布的网状结构，更能集合碳材料和金属材料的各自优势，使得碳滑板的电阻率低，导电能力强，强度高，使用寿命增长。3、本专利技术打印浆料的配比是通过大量前期研究，采用均匀设计和回归分析的算法和大量试验确定的，采用碳纤维与硅灰石纤维混杂作为增强纤维，结合石墨粉、铜纳米颗粒和丁腈橡胶颗粒与热固性酚醛树脂混合作为集体，可获得综合性能优异的受电弓碳滑板材料。进一步，本专利技术所述打印浆料中短切碳纤维的直径为3μm-15μm，长度为200μm-600μm，热固性酚醛树脂粒径分布范围为300μm-600μm，丁腈橡胶颗粒粒径分布范围为300μm-600μm。进一步，本专利技术所述打印浆料的制备方法如下：s13、对短切碳纤维进行刻蚀处理，然后将刻蚀处理的短切碳纤维、石墨粉、铜纳米颗粒和硅灰石纤维加入用于溶解热固性酚醛树脂的溶剂中，超声分散并充分搅拌混合，得到混合均匀的固液混合物；将热固性酚醛树脂颗粒与六亚甲基四胺充分搅拌混合，得到固体混合物；s14、将步骤s13得到固液混合物和固体混合物同时加入反应容器中，搅拌使固体混合物充分溶解，然后干燥得到混合物块体；随后将混合物块体破碎成300-600μm直径的混合颗粒备用；s15、将步骤s14破碎后的混合颗粒和丁腈本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于3D打印的碳纤维增强受电弓碳滑板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、准备打印原料，所述打印原料包括打印浆料和碳纤维布，打印浆料包括热固性酚醛树脂颗粒、石墨粉、丁腈橡胶颗粒、铜纳米颗粒、增强纤维和光敏树脂；所有打印原料的质量百分比为：碳纤维布15％-25％、热固性酚醛树脂颗粒20％-30％、石墨粉15％-25％、丁腈橡胶颗粒3％-6％、铜纳米颗粒8％-15％、增强纤维10％-20％和光敏树脂15％-25％，其中增强纤维包括硅灰石纤维和短碳纤维，二者质量比为1:0.5-1：2；/nS2、构建所需制备碳滑板的三维模型并将其输入3D打印编辑软件中，编辑后进行二维化处理，确定每个打印层面的二维切片数据，将二维切面数据和碳纤维布厚度导入3D打印设备，设定3D打印工艺参数，包括打印路径、打印层面厚度和光照时间；/nS3、在成型缸的成型基板上方设置温度控制装置和温度监控装置，密封3D打印设备的工作区域并充入氩气保护；在成形缸逐层填入打印浆料并铺设碳纤维布，开始光固化成型3D打印碳滑板坯件，具体打印方式是：/ns31、预热成型基板后，在成型缸内填入一层打印浆料；/ns32、3D打印设备的光源按照预先设定打印路径，选择性地对成型基板上的打印浆料进行扫描，光敏树脂固化，完成坯件第一个打印层面的打印；/ns33、在完成打印的坯件打印层面上铺设一层预热至碳纤维布设定温度的碳纤维布；然后在碳纤维布上填入一层打印浆料，并通过温度控制装置加热打印浆料温度至浆料设定温度；/ns34、3D打印设备的光源按照预先设定打印路径，选择性地对成型基板上的打印浆料进行扫描，光敏树脂固化，完成坯件当前打印层面的打印；/ns35、重复步骤S33-S34至坯件打印完成，去除多余的碳纤维布及打印浆料，得到成形的碳滑板坯件；/nS4、对碳滑板坯件依次进行脱脂处理、焙烧处理，洗涤并烘干后进行预热和浸铜处理，即完成碳纤维增强受电弓碳滑板的制备；/n所述浸铜处理采用真空压力浸铜方法，浸铜压力8-12MPa、浸铜温度1300-1400℃，浸铜时间10-30min。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印的碳纤维增强受电弓碳滑板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备打印原料，所述打印原料包括打印浆料和碳纤维布，打印浆料包括热固性酚醛树脂颗粒、石墨粉、丁腈橡胶颗粒、铜纳米颗粒、增强纤维和光敏树脂；所有打印原料的质量百分比为：碳纤维布15％-25％、热固性酚醛树脂颗粒20％-30％、石墨粉15％-25％、丁腈橡胶颗粒3％-6％、铜纳米颗粒8％-15％、增强纤维10％-20％和光敏树脂15％-25％，其中增强纤维包括硅灰石纤维和短碳纤维，二者质量比为1:0.5-1：2；
S2、构建所需制备碳滑板的三维模型并将其输入3D打印编辑软件中，编辑后进行二维化处理，确定每个打印层面的二维切片数据，将二维切面数据和碳纤维布厚度导入3D打印设备，设定3D打印工艺参数，包括打印路径、打印层面厚度和光照时间；
S3、在成型缸的成型基板上方设置温度控制装置和温度监控装置，密封3D打印设备的工作区域并充入氩气保护；在成形缸逐层填入打印浆料并铺设碳纤维布，开始光固化成型3D打印碳滑板坯件，具体打印方式是：
s31、预热成型基板后，在成型缸内填入一层打印浆料；
s32、3D打印设备的光源按照预先设定打印路径，选择性地对成型基板上的打印浆料进行扫描，光敏树脂固化，完成坯件第一个打印层面的打印；
s33、在完成打印的坯件打印层面上铺设一层预热至碳纤维布设定温度的碳纤维布；然后在碳纤维布上填入一层打印浆料，并通过温度控制装置加热打印浆料温度至浆料设定温度；
s34、3D打印设备的光源按照预先设定打印路径，选择性地对成型基板上的打印浆料进行扫描，光敏树脂固化，完成坯件当前打印层面的打印；
s35、重复步骤S33-S34至坯件打印完成，去除多余的碳纤维布及打印浆料，得到成形的碳滑板坯件；
S4、对碳滑板坯件依次进行脱脂处理、焙烧处理，洗涤并烘干后进行预热和浸铜处理，即完成碳纤维增强受电弓碳滑板的制备；
所述浸铜处理采用真空压力浸铜方法，浸铜压力8-12MPa、浸铜温度1300-1400℃，浸铜时间10-30min。


2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的碳纤维增强受电弓碳滑板的制备方法，其特征在于：所述打印浆料中短切碳纤维的直径为3μm-15μm，长度为200μm-600μm，热固性酚醛树脂粒径分布范围为300μm-600μm，丁腈橡胶颗粒粒径分布范围为300μm-600μm。


3.根据权利要求1或2所述的一种基于3D打印的碳纤维增强受电弓碳滑板的制备方法，其特征在于：所述打印浆料的制备方法如下：
s13、对短切碳纤维进行刻蚀处理，然后将刻蚀处理的短切碳纤维、石墨粉、铜纳米颗粒和硅灰石纤维加入用于溶解热固性酚醛树脂的溶剂中，超声分散并充分搅拌混合，得到混合均匀的固液混合物；将热固性酚醛树脂颗粒与六亚甲基四胺充分...

【专利技术属性】
技术研发人员：文蓉，苟国庆，
申请(专利权)人：攀枝花容则钒钛有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51