一种受电弓滑板炭／炭复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种受电弓滑板炭／炭复合材料的制备方法，在高残炭率的树脂溶液中加入硼催化剂和分散剂，再将其浸渍于炭纤维编织体中，之后经过加压固化处理和常压炭化处理，反复上述过程后，最后进行高温石墨化处理。本发明专利技术的制备方法生产成本低、生产周期短、工艺简单、适于产业化，采用该方法制备的受电弓滑板炭／炭复合材料具有良好的摩擦性能和导电性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种炭材料的制备方法，特别涉及一种受电弓滑板炭/炭复合材料的 制备方法。
技术介绍
电力机车的滑板与接触网导线不断产生电冲击与机械冲击磨耗，是电力机车中更 换最频繁，消耗量最大的部件，因此高速电力机车的发展对滑板材料提出了非常苛刻的要 求1)良好的导电性能；2)优良的摩擦磨损性能和自润滑性，对输电导线磨损小，同时又要 求滑板自身磨耗小；3)机械强度高，能经受一定振动和冲击载荷且不损坏；5)轻量化。炭/炭复合材料是一种用高强炭纤维增强炭基体的新型纯炭复合材料，质轻、强 度高和环境服役性好等特殊优势赋予其广泛的应用领域。采用CVI法制备的炭/炭复合材 料已在高速电力机车受电弓滑板上试用成功，整体性能大幅度提高，但这种制备工艺周期 较长、成本较高和导电性较差(电阻率为37. 3μ Ω · m)等因素也导致其难以大规模应用。 液相浸渍_炭化是一种低 成本制备炭/炭复合材料的方法，其缺点是酚醛树脂浸渍剂炭化 形成的酚醛树脂炭(简称酚醛炭)硬度较大且难石墨化炭，降低了材料的导电性能和摩擦 学性能。引入催化剂对热固性树脂炭进行催化石墨化，是提高酚醛树脂炭石墨化度的一种 有效方法。李崇俊等报道向树脂炭微粉中加入单质硼作为催化剂，在石墨化温度为2100°C、 催化剂硼用量小于5. 工艺条件下，树脂炭基炭/炭复合材料的石墨化度达到了 82%， 而无催化剂的炭/炭复合材料在2500°C下石墨化度才达到71%。这表明硼在降低石墨化 温度和提高石墨化度方面均有明显作用。但目前由于所采用的催化剂分布不均勻，因此将 其应用于制备滑板炭/炭复合材料的工艺中仍受到很大限制。同时目前并没有完整的采用 液相浸渍_炭化方法制备受电弓滑板炭/炭复合材料工艺的相关研究。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种生产成本低、生产周期短、工艺简单、适于产业化的制备受电 弓滑板炭/炭复合材料的方法，并且采用该方法制备的受电弓滑板炭/炭复合材料摩擦性 能和导电性能也较高。本专利技术采用以下方案实现受电弓滑板炭/炭复合材料的制备方法，包括以下工序，(A)向残炭率在55%以上的热固性树脂液中加入硼类催化剂和/或有机分散剂。 其中硼元素质量树脂质量为(0. 5 1) 100，分散剂使用比例为100克树脂加入0 50ml分散剂；硼类催化剂可以是硼酸或硼酸有机酯类中的一种，常用的硼酸有机酯有硼酸三 乙酯和硼酸三甲酯；有机分散剂选自液体醇类或液体醛类中的一种，常用的液体醇类有乙 醇、丙醇和乙二醇；常用液体醛类则包括水杨醛和苯甲醛；残炭率在55%以上热固性树脂作为基体炭原料，可以是氨酚醛树脂、硼酚醛树脂和呋喃树脂。(B)将炭纤维编织体浸渍于上述树脂体系中，浸渍压力为1. 5 2. OMPa，温度为 75 85°C，浸渍时间可调，一般为2 3h ；为提高滑板材料的力学性能，作为增强体的炭纤维编织体选自下述材料中的一 种针刺无纬布准三维整体毡、无纬布网胎混合整体毡、三向炭纤维编织整体毡。(C)将上述浸渍了树脂后的炭纤维编织体进行加压固化，固化压力为1.5 2. OMPa,固化温度为160 180°C，保温时间可调，一般为2 3h ；(D)将上述固化后的样品在隔绝空气条件下，进行炭化处理，炭化处理温度为 900 1000°C，保温时间可调，一般为2 3h ；(E)重复B-D三个工序至材料密度不低于1. 60g/cm3 ；由于经过这道反复浸渍-炭 化处理流程之后，材料密度不断增加，因此称其为浸渍_炭化增密流程。 (F)之后将经过上述反复浸渍_炭化处理的材料进行石墨化处理，温度为2000 2400°C，保温时间可调，一般为2 4h，即制得受电弓滑板炭/炭复合材料。与现有的制备方法相比，本专利技术具有以下优点1.由于在树脂中加入硼催化剂，并选用合适的分散剂，一是可以使催化剂均勻 地分散于树脂中；二是能降低树脂的粘度或者能提高树脂的残炭率，提高树脂的后续浸 渍-炭化增密效率。缩减了工艺的流程和生产周期。2.根据材料不同的性能要求，可以通过调节催化剂的加入量、催化石墨化的反应 温度和保温时间来控制材料的性能和生产成本。3.本专利技术对生产成本较低的树脂炭基炭/炭复合材料引入催化剂，通过催化石墨 化的作用改善了树脂炭基炭/炭复合材料的综合性能，使得性能优越的炭/炭复合材料广 泛应用在受电弓滑板材料上成为一种可能。与现行的纯碳整体滑板材料相比，抗折强度和 导电性大幅度提高；与CVI法制备的炭/炭复合材料相比，在生产成本和生产周期上优势明 显，因此适用于受电弓滑板生产企业的产业化。4.本专利技术中所采用的基体炭源为价格低廉的热固性树脂，催化剂为硼类化合物 (如硼酸和硼酸三乙酯等)，原料普通易得。因此，相对其它炭/炭复合材料，生产成本较低。具体实施例方式实施例1(A)向IOOg氨酚醛树脂中加入分散剂无水乙醇30ml，3. 5g催化剂硼酸，配制浸渍 用酚醛树脂溶液，硼元素质量酚醛树脂质量约为0.62 100。(B)将针刺无纬布准三维整体毡置于上述酚醛树脂中浸渍，浸渍工艺在高压釜中 完成，压力为1. 5MPa，浸渍温度为75°C条件，浸渍时间为3h ；(C)将上述浸渍树脂后的针刺无纬布准三维整体毡置于高压釜内，进行加压固化， 固化压力为1. 5MPa,固化温度为160°C，保温时间为3h ；(D)将上述固化后的样品在隔绝空气条件下，在马弗炉中进行炭化处理，温度为 950°C，保温时间为2. 5h ；(E)重复B-D三个工序六次，材料密度大于1. 60g/cm3 ；(F)之后将经过上述反复六次的浸渍_炭化处理的材料在石墨化炉中进行石墨化处理，温度为2400°C，保温时间为2h，即制得受电弓滑板炭/炭复合材料。采用上述工艺制备得到的受电弓滑板炭/炭复合材料，电阻率16. 8 μ Ω ·πι，摩擦 系数0. 27，磨损量2. 2mm/万Km，大大优于现有的受电弓滑板材料。实施例2(A)向IOOg硼酚醛树脂中加入IOml催化剂硼酸三乙酯，配制浸渍用硼酚醛树脂溶 液，硼元素质量酚醛树脂质量约为0.66 100；(B)将无纬布网胎混合整体毡置于上述硼酚醛树脂中浸渍，在高压釜中，压力为 2MPa，温度为80°C条件下，浸渍2h ；(C)将上述浸渍了树脂后的无纬布网胎混合整体毡于高压釜内加压固化，固化压 力为2MPa，固化温度为180°C，保温时间为2h ；(D)将上述固化后的样品在隔绝空气条件下，在马弗炉中进行炭化处理，温度为 1000°C，保温时间为3h ；(E)重复B-D三个工序六次，材料密度为1. 62g/cm3 ；(F)之后将经过上述反复六次的浸渍_炭化处理的材料在石墨化炉中升温进行石 墨化处理，温度为2200°C，保温时间为3h，即制得受电弓滑板炭/炭复合材料。上述工艺制备得到的受电弓滑板炭/炭复合材料，电阻率15.6μ Ω ·πι，摩擦系 数0. 26，磨损量2. Omm/万Km，大大优于现有的受电弓滑板材料。实施例3(A)向IOOg氨酚醛树脂中，加入分散剂水杨醛40ml和催化剂硼酸5g，配制浸渍用 酚醛树脂溶液，硼元素质量酚醛树脂质量约为0.89 100；(B)将针刺无纬布准三维整体毡置于上述酚醛树脂中浸渍，浸渍工艺在高压釜中 完成，压力为2MPa，浸渍温度为85°C，浸渍时间为2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种受电弓滑板炭／炭复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下工序，（Ａ）向残炭率在５５％以上的热固性树脂液中加入硼类催化剂和／或有机分散剂；其中硼元素质量∶树脂质量为（０．５～１）∶１００，分散剂使用比例为：１００克树脂中加入０～５０ｍｌ分散剂；（Ｂ）将炭纤维编织体浸渍于上述树脂体系中，浸渍压力为１．５～２．０ＭＰａ，温度为７５～８５℃；（Ｃ）将上述浸渍了树脂后的炭纤维编织体进行加压固化，固化压力为１．５～２．０ＭＰａ，温度为１６０～１８０℃；（Ｄ）将上述固化后的样品在隔绝空气条件下，进行炭化处理，炭化处理温度为９００～１０００℃；（Ｅ）重复Ｂ－Ｄ三个工序至材料密度不低于１．６０ｇ／ｃｍ↑［３］；（Ｆ）之后将经过上述反复浸渍－炭化处理的材料进行石墨化处理，温度为２０００～２４００℃，即制得受电弓滑板炭／炭复合材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪波，肖绍懿，何月德，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]