一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法；属于滑动集电材料设计制备技术领域。本发明专利技术将炭化‑石墨化的超薄碳纤维布与铜合金薄片交替排布，然后热压，得到高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料；所述炭化‑石墨化处理后的超薄碳纤维布的厚度为0.020‑0.1mm，所述铜合金薄片小于等于4.2mm。本发明专利技术采用超薄碳纤维层增强浸铜炭复合材料，其具有高导电、高导热、高强度、低成本与易产业化等优点；其作为滑动集电材料使用时，具有明显优势。本发明专利技术制备工艺简单可控，所得产品性能优良，便于工业化应用。

【技术实现步骤摘要】
一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法
本专利技术涉及一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法；属于滑动集电材料设计制备

技术介绍
电力列车高速运行过程中通过受电弓滑板从接触网获得电力；电机的运行需要通过电刷与换向器的稳定接触保证电力传输，滑动集电材料是列车与电机供电系统的咽喉部件，其摩擦磨损状况和稳定性对列车与电机的受流状况和稳定运行具有重要影响，因此，滑动集电材料材料性能具有严格的要求，大致包括五个方面：优良的导电性能、良好的减摩性与耐磨性、足够的机械强度、轻量化和低成本。目前高速电力机车和电机服役中的滑动集电材料主要为炭基复合材料，易发生崩边、掉块等异常磨损，在力学与耐磨性能方面存在不足。为了改善炭基滑板材料的力学与耐磨性能，炭/炭(C/C)复合材料受到研究者们关注。Yuan与Deng将铜粉或铜纤维、树脂和碳纤维混合，经加热模压后进行数次树脂炭化/浸渍处理制备成型，该类型铜粉或铜纤维-C/C复合材料的冲击强度为炭滑板材料的2-4倍，制备工艺简单易控。浸铜-炭/炭(浸铜-C/C)复合材料是将高温热处理的炭/炭(C/C)复合材料多孔体为预制体，浸渍铜合金制备成型。国内研究者关注于浸铜-C/C复合材料的铜/炭界面结合与润湿性，采用Cu-Cr、Cu-Mo、Cu-Zr和Cu-Ti合金作为浸渍合金以改善铜/碳界面润湿性，制备得到浸铜-C/C复合材料的导电率与浸铜炭滑板相当，其冲击强度是后者的2.7-5.4倍。然而，为了保证碳纤维滑动集电材料的力学性能与耐磨性，该类性能复合材料的碳纤维含量常需要控制在20wt％以上，引起材料成本较高，难以产业化。通过分析上述碳纤维滑动集电材料的性能发现，该类型复合材料的碳纤维束聚集处难以渗透浸渍，引起缺陷产生，无法充分发挥碳纤维的增强作用，需要提高碳纤维含量来提高复合材料力学性能，导致成本升高。针对这些问题，我们提出将碳纤维薄层化(0.020-0.1mm)制备超薄碳纤维布，以超薄碳纤维布为增强组元，降低复合材料闭孔的形成，充分发挥碳纤维增强作用；经过铜合金粉压坯、超薄碳纤维布与铜合金薄片叠层、热压烧结制备铜合金-C/C滑动集电材料。
技术实现思路
本专利技术旨在通过改善碳纤维增强滑动集电材料的致密性提高其强韧性与耐磨性，提供一种制备工艺简单易控、成本低廉的高性能碳纤维滑动集电材料制备方法。本专利技术一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法；包括以下步骤：将炭化-石墨化的超薄碳纤维布与铜合金薄片交替排布，然后热压，得到高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料；所述炭化-石墨化处理后的超薄碳纤维布的厚度为0.020-0.1mm，所述铜合金薄片小于等于4.2mm。当碳纤维布较厚时(大于0.1mm)，其难以被树脂与合金充分浸渍并渗透，无法充分发挥碳纤维的增强作用。作为优选，所述炭化-石墨化处理后的超薄碳纤维布的厚度为0.04-0.08mm。本专利技术一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法；炭化-石墨化处理后的超薄碳纤维布通过下述工艺制备：将碳纤维束进行扩展并刷涂刷涂树脂；或将碳纤维束进行扩展、编织并刷涂刷涂树脂，控制碳纤维与树脂的质量比为1:4-5:1，得到超薄碳纤维布；然后通过-石墨化处理，得到-石墨化处理后的超薄碳纤维布；其中，炭化工艺参数为：室温-180℃，升温速率为70-90℃/h；在180-600℃时，升温速率8-16℃/h；在650-A℃时，升温速率为10-15℃/h，在A℃保温2～4小时；所述A的取值为835-850；石墨化工艺为：温度1600-2800℃，保温30min-5h。作为优选方案，将碳纤维束进行扩展并刷涂刷涂树脂；或将碳纤维束进行扩展、编织并刷涂刷涂树脂，控制碳纤维与树脂的质量比为1:3～6，得到超薄碳纤维布。更进一步优选为；碳纤维与树脂的质量比为1:4～5。作为优选方案，本专利技术一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法；铜合金薄片厚度约为0.5-4mm、优选为0.75-1.8mm、进一步优选为0.9-1.1mm。在本专利技术中，铜合金片过薄一方面不易压制成型，另一方面复合材料中铜合金难以对碳纤维层实现充分浸渍；铜合金片过厚时，材料组织不均，碳纤维含量低，导致复合材料的机械性能不足。作为优选方案，本专利技术一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法；铜合金薄片的材质为Cu-M；所述M选自硅、锡、铁、铬、钼、钛、铝、镍中的至少一种。作为进一步的优选方案，铜合金薄片的材质为Cu-M，其中以质量比计，Cu：M＝20～95：5～80。作为更进一步的优选Cu-M中，Cu的质量百分含量大于等于65％。作为优选方案，铜合金薄片的材质为Cu-M中，M选自Ti、Si、Sn、Mo、Ni中的至少一种。作为进一步的优选方案，铜合金薄片的材质为Cu-M；所述M由Si、Ni、Sn、Ti(或者Cr与Mo)按质量比1～15：5～30：1～30：5～25组成。作为更进一步的优选方案，铜合金薄片的材质为Cu-Ti；且Cu与Ti的质量比为4-5:1。作为更进一步的优选方案，铜合金薄片的材质为Cu-Ti-Sn；且Cu、Ti、Sn的的质量比为4-5：0.8-1.2：0.8-1.2。作为更进一步的优选方案，铜合金薄片的材质为Cu-Si-Sn；且Cu、Si、Sn的的质量比为4-5：0.8-1.2：0.8-1.2。作为更进一步的优选方案，铜合金薄片的材质为Cu-Ni-Sn；且Cu、Ni、Sn的的质量比为4-5：0.8-1.2：0.8-1.2。作为更进一步的优选方案，铜合金薄片的材质为Cu-Mo-Sn；且Cu、Mo、Sn的的质量比为4-5：0.8-1.2：0.8-1.2。本专利技术一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法；具有一定的孔隙率。作为优选，孔隙率大于等于2％而且小于等于11.5％。作为进一步的优选，其孔隙率为5％～7.5％。作为进一步的优选方案，铜合金薄片通过下述工艺制备：铜粉与M粉末按设定比例配取，球磨后均匀混合，经过模压压制成型，其铜合金薄片厚度为0.5-5mm；采用液压机完成压制成型。首先将合金粉转入模具，加20-700MPa压力，保压3-10min。该过程重复数次进行复压，最终制备成型铜合金薄片。铜粉粒径选取100-2000目，M粉的粒径选取为500-3000目。球磨过程中球粉比为2～4：1，旋转速度150-350转/min，时间为5min-12h。作为进一步的优选方案，将超薄碳纤维布与铜合金薄片逐层依次叠置，转入烧结炉，通N2或Ar作为保护气，加热至铜合金熔点，加压0.5-100MPa，并保温保压熔渗，冷却后的到铜合金-C/C复合材料。本专利技术通过控制叠层方式与频率控制铜合金-C/C复合材料中铜合金含量，控制烧结温度与压力实现铜合金对复合材料空隙的熔渗填充。本专利技术一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法；所得产品抗弯强度为130～180MPa、冲击强度为3.5～4.8kj/m2、电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法，其特征在于；包括以下步骤：/n将炭化-石墨化的超薄碳纤维布与铜合金薄片交替排布，然后热压，得到高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料；所述炭化-石墨化处理后的超薄碳纤维布的厚度为0.020-0.1mm，所述铜合金薄片小于等于4.2mm。/n

【技术特征摘要】
1.一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法，其特征在于；包括以下步骤：
将炭化-石墨化的超薄碳纤维布与铜合金薄片交替排布，然后热压，得到高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料；所述炭化-石墨化处理后的超薄碳纤维布的厚度为0.020-0.1mm，所述铜合金薄片小于等于4.2mm。


2.根据权利要求1所述的一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法；其特征在于：所述炭化-石墨化处理后的超薄碳纤维布的厚度为0.04-0.08mm。


3.根据权利要求1所述的一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法；其特征在于：炭化-石墨化处理后的超薄碳纤维布通过下述工艺制备：将碳纤维束进行扩展并刷涂刷涂树脂；或将碳纤维束进行扩展、编织并刷涂刷涂树脂，控制碳纤维与树脂的质量比为1:4-5:1，得到超薄碳纤维布；
然后通过-石墨化处理，得到-石墨化处理后的超薄碳纤维布；
其中，炭化工艺参数为：室温-180℃，升温速率为70-90℃/h；在180-600℃时，升温速率8-16℃/h；在650-A℃时，升温速率为10-15℃/h，在A℃保温2～4小时；所述A的取值为835-850；
石墨化工艺为：温度1600-2800℃，保温30min-5h。


4.根据权利要求3所述的一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法；其特征在于：将碳纤维束进行扩展并刷涂刷涂树脂；或将碳纤维束进行扩展、编织并刷涂刷涂树脂，控制碳纤维与树脂的质量比为1:3～6，得到超薄碳纤维布。


5.根据权利要求1所述的一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法；其特征在于：铜合金薄片厚度约为0.5-4mm、优选为0.75-1.8mm、进一步优选为0.9-1.1mm。


6.根据权利要求1所述的一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法；其特征在于：铜合金薄片的材质为C...

【专利技术属性】
技术研发人员：王培，魏凤春，赵志伟，
申请(专利权)人：河南工业大学，
类型：发明
国别省市：河南;41