高铁用高电导率受电弓滑板用复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高铁用高电导率受电弓滑板用复合材料及其制备方法，该复合材料是将三维编织预制体经化学气相渗积(CVI)和熔融浸渗(RMI)法致密化至密度为2.1~2.7g/cm3；其制备方法是：将碳纤维制备成三维编织预制体，对其进行脱胶处理后采用CVI方法制备得低密度碳纤维增强基体碳坯体，然后经过高温石墨化处理和RMI制得所需碳铜双元基受电弓滑板用复合材料。本发明专利技术所制备的碳铜双元基受电弓滑板用复合材料，具有较低的制备成本，良好的导电性能，较高的力学性能，优异的抗受流磨损性能以及抗电弧侵蚀性能的制备方法，适于工业化生产。适于工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
高铁用高电导率受电弓滑板用复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于材料领域，具体涉及一种受电弓滑板用复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]发展高速铁路是铁路现代化建设的必然趋势。目前所有的高速铁路中均采用电力牵引即采用接触网和受电弓组合的方式为高速列车提供动力。其中受电弓滑板是为电力列车提供电力的关键部件，主要安装在受电弓的顶部，直接与电网导线摩擦接触，将电网上的电流引入机车。现阶段国内外高速铁路机车主要使用是纯碳滑板和浸金属碳滑板。其中纯碳滑板对降低导线磨耗、延长导线使用寿命具有积极意义，但其机械强度低，耐冲击性差，运行中容易造成滑板折断或破裂，引发弓网故障的概率较大，使用寿命较短，而且因损伤更换数量极多；浸金属滑板具有机械强度高、电阻率小、对导线磨耗小和熄弧性强的优良性能，但其抗冲击能力不足，易出现掉块，运用过程中需进行多次整形，造价和维护成本高，给机务段带来较大的经济压力。随着电力机车向着高速重载方向快速发展，现有受电弓滑板已经越来越不能满足铁路电气化发展需求，渐渐成为电力机车发展的瓶颈之一。
[0003]碳纤维增强碳基复合材料(C/C)具有高强度、高模量、质量轻和优异的自润滑性等特点；金属铜具有优异的导电性能以及较高的力学强度。因此，在碳纤维增强碳基复合材料(C/C)的基础上渗入金属铜是一种高性能受电弓滑板的理想材料。但是由于铜对碳的润湿性较差，使得铜难以有效的浸入C/C的孔隙中，不能达到提高C/C复合材料导电性的目的。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的问题是提供一种添加剂，达到改善铜与碳润湿性，增加铜浸入深度与均匀性，提高C/C复合材料导电性的目的，最终制备出一种具有较高的力学性能，良好的导电性能，优异的抗受流磨损性能以及抗电弧侵蚀性能的高铁用高电导率受电弓滑板用复合材料。
[0005]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种高铁用高电导率受电弓滑板用复合材料的制备方法。高铁用高电导率受电弓滑板用复合材料(即碳铜双元基受电弓滑板用复合材料)简称C/C
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Cu复合材料、C/C
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Cu受电弓滑板用复合材料。首先采用三维编织的方法制备受电弓滑板预制体，对其脱胶处理后采用CVI法制备低密度碳纤维增强基体碳受电弓滑板坯体，然后经过高温石墨化处理和RMI步制得所需C/C
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Cu受电弓滑板用复合材料，该技术方案包括以下步骤：
[0006]1低密度碳纤维增强基体碳(C/C)坯体的制备
[0007]a三维编织碳纤维受电弓滑板预制体
[0008]选用T300碳纤维，其密度1.76g/cm3，抗拉强度3530MPa，弹性模量230Gpa，碳纤维直径7.13μm，束丝为3000束。采用三维编织工艺：即三维四向四步法编织工艺，四步法是携纱器在机器底盘上的排列形式经四个机器动作后又恢复到初始状态，即四步为一个机器循环，反复进行四步运动，从而形成三维编织预制体件，其表观密度为0.4～0.7g/cm3；
[0009]b脱胶处理
[0010]碳纤维预制体在致密化之前需要进行脱胶处理以提高其表面能，改善纤维与基体复合时两相界面的结合性。处理条件气氛为真空环境，脱胶温度为900～2100℃，全程时间为0.5～3h；
[0011]c化学气相渗积法(CVI)致密化
[0012]采用快速CVI法对脱胶后的碳纤维预制体进行热解碳增密，制得密度为1.2～1.5g/cm3之间的低密度碳纤维增强基体碳(C/C)坯体。其中化学气相渗积的碳源气体为丙烷、天然气或者其混合气体，稀释气体为氮气、氢气或者其混合气体，源气体与稀释气体体积比为1:1～4，渗积时间为50～200h，渗积温度为900～1200℃，压力为1000～5000Pa；
[0013]d高温石墨化处理
[0014]将制得的低密度碳纤维增强基体碳(C/C)坯体在高温炉中进行的高温石墨化处理。处理条件为氩气惰性气体保护，温度为1800～2400℃，压力为1000～5000Pa，处理时间为1.5～2.5h。高温石墨化处理可以使基体碳内部具有各种各样的生长锥组织特征，微观组织外貌粗糙，结构致密，晶粒尺寸大，有序度高，光学活性大，石墨化度高，材料晶体缺陷少，显著提高低密度碳纤维增强基体碳(C/C)坯体的强度和模量；
[0015]2渗剂的制备
[0016]a按质量百分比：Cu 92～98％；添加剂Cr 1.35～5％、W 0.2～1％、Co 0～2％、Ni 0～2％配置渗剂原料。其中原料均选择纯度大于等于99.99％，粒径0.6～2um的粉末，并在球磨机中球磨24
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48h。
[0017]b熔炼：在1600℃～2300℃，真空环境下熔炼，浇铸成锭，并分割成尺寸为3mm
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3mm
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3mm的方块。熔炼的作用是：使渗剂均匀混合。
[0018]3C/C
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Cu复合材料的制备
[0019]将低密度碳纤维增强基体碳(C/C)坯体置于装有渗剂的石墨坩埚中在高温炉中进行液相浸渗，制备得到电力机车受电弓滑板用C/C
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Cu复合材料。其中由C/C
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Cu复合材料的预期密度和低密度碳纤维增强基体碳(C/C)坯体密度之差可计算出浸渗所需渗剂的理论质量，取理论值的1.5～2.5倍渗剂置于石墨坩埚中，并将低密度碳纤维增强基体碳(C/C)坯体掩埋于渗剂中置于高温炉中进行熔融浸渗制得密度为2.1～2.7g/cm3的C/C
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Cu受电弓滑板用复合材料。高温炉内采用真空环境，熔融浸渗条件为1300～1700℃下保温0.5～3h；熔融渗铜过程中，熔融铜在毛细管力和重力的共同作用下由低密度碳纤维增强基体碳坯体的孔隙渗入到材料内部，得到C/C
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Cu受电弓滑板材料。碳铜双元基受电弓滑板用复合材料即C/C
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Cu复合材料。
[0020]一种渗剂，包括按质量百分比配置渗剂原料：Cu 92～98％；添加剂Cr 1.35～5％、W 0.2～1％、Co 0～2％、Ni 0～2％；其中原料均选择纯度大于等于99.99％，粒径0.6～2um的粉末，原料在球磨机中混合均匀；在1600℃～2300℃的真空环境下熔炼。
[0021]熔炼后浇铸成锭，并分割成块，得到渗剂。
[0022]本专利技术所制备的碳铜双元基受电弓滑板用复合材料，具有较低的制备成本，良好的导电性能，较高的力学性能，优异的抗受流磨损性能以及抗电弧侵蚀性能的制备方法，适于工业化生产。本专利技术C/C
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Cu受电弓滑板用复合材料的制备采用CVI与RMI相结合的方式进行，属于电力机车用受电弓滑板材料制备
采用上述技术方案的电力机车受电弓
滑板用复合材料的制造方法，其优点和积极效果充分体现在：
[0023](1)采用真空浸渗工艺制备，工艺简单且制备成本低，可实现C/C复合材料均匀渗铜的目的。添加剂中的Cr是一种表面活性元本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高铁用高电导率受电弓滑板用复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1）低密度碳纤维增强基体碳坯体的制备a三维编织碳纤维受电弓滑板预制体；b脱胶处理三维编织碳纤维受电弓滑板预制体脱胶处理处理条件在气氛为真空环境，脱胶温度为900~2100℃，全程时间为0.5~3h；c化学气相渗积法致密化采用化学气相渗积法对脱胶处理后的三维编织碳纤维受电弓滑板预制体进行热解碳增密，制得密度为1.2~1.5g/cm3之间的低密度碳纤维增强基体碳坯体；其中化学气相渗积法中的碳源气体为丙烷、天然气或者其混合气体，稀释气体为氮气、氢气或者其混合气体，碳源气体与稀释气体体积比为1:1~4，渗积时间为50~200h，渗积温度为900~1200℃，压力为1000~5000Pa；d高温石墨化处理将制得的低密度碳纤维增强基体碳坯体在高温炉中进行的高温石墨化处理，处理条件为氩气惰性气体保护，温度为1800~2400℃，压力为1000~5000Pa，处理时间为1.5~2.5h；2）渗剂的制备a按质量百分比：Cu92~98%；添加剂Cr1.35~5%、W0.2~1%、Co0~2%、Ni0~2%配置渗剂原料；其中原料均选择纯度大于等于99.99%，粒径0.6~2um的粉末，原料在球磨机中混合均匀；b熔炼：在1600℃~2300℃的真空环境下熔炼后浇铸成锭，切割成块，制得渗剂；3）碳铜双元基受电弓滑板用复合材料的制备将低密度碳纤维增强基体碳坯体置于装有渗剂的石墨坩埚中在高温炉中进行液相浸渗，制备得到碳铜双元基受电弓滑板用复合材料；高温炉内采用真空环境，熔融浸渗条件为1300~1700℃下保温0.5~3h。2.根据权利要求1所述的高铁用高电导率受电弓滑板用复合材料的制备方法，其特征在于：三维编织碳纤维受电弓滑板预制体选用碳纤维采用三维编织工艺形成；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗瑞盈，罗浩，
申请(专利权)人：湖北瑞宇空天高新技术有限公司，
类型：发明
国别省市：