高铁用高电导率受电弓滑板用复合材料及其制备方法与流程

1.本发明属于材料领域，具体涉及一种受电弓滑板用复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.本发明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。
5.为了解决上述问题，本发明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
‑
cu受电弓滑板用复合材料，该技术方案包括以下步骤：
6.1低密度碳纤维增强基体碳(c/c)坯体的制备
7.a三维编织碳纤维受电弓滑板预制体
8.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；
9.b脱胶处理
10.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；
11.c化学气相渗积法(cvi)致密化
12.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；
13.d高温石墨化处理
14.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；
15.2渗剂的制备
16.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
‑
48h。
17.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
×
3mm
×
3mm的方块。熔炼的作用是：使渗剂均匀混合。
18.3c/c
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cu复合材料的制备
19.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。
20.一种渗剂，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。
21.熔炼后浇铸成锭，并分割成块，得到渗剂。
22.本发明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。本发明c/c
‑
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技术领域。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：
23.(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是一种表面活性元素，且与碳的亲和力极强，可以有效改善铜与碳的界面结构，提铜与碳的润湿性，在真空条件下即可实现c/c复合材料均匀渗铜的目的。
24.(2)所制备的c/c
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cu受电弓滑板用复合材料不仅具有良好的导电性，较高的机械强度，还具有优异的抗受流磨损性能以及抗电弧侵蚀性能。添加剂中的co和ni可以有效的改善cu和cr的润湿性，减少基体的微孔隙，使基体整体性得以强化的同时还可以使金属cu在复合材料内部形成互为连通的连续网络结构，为在载流状态下电子的运动提供低电阻通道，从而使c/c
‑
cu受电弓滑板用复合材料具有较高的机械强度和良好的导电性；添加剂中的w、co和ni可以对复合材料起到强化作用，使得复合材料抵抗电流引起的表面变形能力大为增强。在受到弓网电弧烧蚀后，熔层中极细的w粉可以起到非自发形核核心的作用，使得熔层表面更加扁平，使弧后的微观突起程度大大减轻。因此制备的复合材料具有优异的抗受流磨损性能以及抗电弧侵蚀性能。
25.参照中国标准动车组滑板检验标准对所制备的c/c
‑
cu受电弓滑板用复合材料性能进行测试，测试结果如表1所示：
26.表1我国时速350km/h及以下速度等级动车组碳滑板性能指标和本发明制备c/c
‑
cu复合材料性能参数
[0027][0028][0029]
经测试，本发明制备的c/c
‑
cu复合材料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，已达到并优于国家对时速350km/h及以下速度等级动车组碳滑板材料的性能标准。
附图说明
[0030]
图1是本发明高铁用高电导率受电弓滑板用复合材料制备方法的流程图；
[0031]
图2是三维编织碳纤维受电弓滑板预制体图；
[0032]
图3是本发明的熔融浸渗示意图；
[0033]
图中：1
‑
高温加热炉、2
‑
感应加热体、3
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石墨坩埚、4
‑
渗剂、5
‑
低密度碳纤维增强基
体碳坯体。
具体实施方式
[0034]
图1中，本发明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。
[0035]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0036]
实施例1：
[0037]
c/c
‑
cu受电弓滑板用复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0038]
(1)采用三维编织工艺，用t300碳纤维制备出表观密度为0.5g/cm3的三维编织预制体件，结构如图2所示。
[0039]
(2)真空气氛下将三维编织预制体件在1000℃温度下进行1.5h脱胶处理。
[0040]
(3)以丙烷为碳气源(即碳源气体)，氮气为稀释气体，在丙烷与氮气体积比例1:2，温度1150℃，压力2000pa的条件下，采用快速cvi法对预制体进行120h的致密化制得密度为1.3g/cm3的低密度碳纤维增强基体碳坯体。
[0041]
(4)将低密度c/c复合材料坯体在温度为2100℃，压力为4500pa氩气惰性气体保护条件下进行2h的高温石墨化处理。
[0042]
(5)将纯度大于等于99.99％，粒径1～2um，质量百分比cu 97％、cr 1.5％、w 0.3％、co 1.2％的粉末放入球磨机中混合30h后在真空气氛1900℃下进行浇铸成锭，并分割成尺寸为3mm
×
3mm
×
3mm的方块。
[0043]
(6)参见图3，将低密度碳纤维增强基体碳坯体置于装有2倍理论所需渗剂量渗剂的石墨坩埚中在温度1450℃真空环境下浸渗1.5h制备得到所需c/c
‑
cu受电弓滑板用复合材料。
[0044]
参照中国标准动车组滑板检验标准对本发明所制备的c/c
‑
cu受电弓滑板用复合材料性能进行测试，测试结果如表2所示：
[0045]
表2本发明所制备的c/c
‑
cu受电弓滑板用复合材料性能参数
[0046][0047]
实施例2：
[0048]
c/c
‑
cu受电弓滑板用复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0049]
(1)采用三维编织工艺，用t300碳纤维制备出表观密度为0.55g/cm3的三维编织预制体件，结构如图2所示。
[0050]
(2)真空气氛下将三维编织预制体件在1050℃温度下进行1h脱胶处理。
[0051]
(3)以天然气、丙烷为碳气源，氢气为稀释气体，在天然气：丙烷：氢气等于2：1：6，温度1100℃，压力2000pa的条件下，采用快速cvi法对预制体进行100h的致密化制得密度为1.35g/cm3的低密度碳纤维增强基体碳坯体。
[0052]
(4)将低密度碳纤维增强基体碳坯体在温度为2300℃，压力为5000pa氩气惰性气体保护条件下进行1.5h的高温石墨化处理。
[0053]
(5)将纯度大于等于99.99％，粒径1～2um，质量百分比cu 93％、cr 5％、w 0.8％、co 1.8％的粉末放入球磨机中混合24h后在真空气氛2000℃下进行浇铸成锭，并分割成尺寸为3mm
×
3mm
×
3mm的方块。
[0054]
(6)参见图3，将低密度碳纤维增强基体碳坯体置于装有2.2倍理论所需渗剂量渗剂的石墨坩埚中在温度1550℃真空环境下浸渗1h制备得到所需c/c
‑
cu受电弓滑板用复合材料。
[0055]
参照中国标准动车组滑板检验标准对所制备的受电弓滑板用c/c
‑
cu复合材料性能进行测试，测试结果如表3所示：
[0056]
表3本发明制备的c/c
‑
cu复合材料性能参数
[0057][0058]
实施例3：
[0059]
c/c
‑
cu受电弓滑板用复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0060]
(1)采用三维编织工艺，用t300碳纤维制备出表观密度为0.6g/cm3的三维编织预制体件，结构如图2所示。
[0061]
(2)真空气氛下将三维编织预制体件在900℃温度下进行3h脱胶处理。
[0062]
(3)以丙烷为碳气源，氮气为稀释气体，在丙烷：氮气等于1：3，温度1050℃，压力2000pa的条件下，采用快速cvi法对预制体进行130h的致密化制得密度为1.47g/cm3的低密度c/c复合材料坯体。
[0063]
(4)将低密度c/c复合材料坯体在温度为2200℃，压力为4500pa氩气惰性气体保护条件下进行1.5h的高温石墨化处理。
[0064]
(5)将纯度大于等于99.99％，粒径1～2um，质量百分比cu 96％、cr 2％、w 0.5％、ni 1.5％的粉末放入球磨机中混合28h后在真空气氛1900℃下进行浇铸成锭，并分割成尺寸为3mm
×
3mm
×
3mm的方块。
[0065]
(6)参见图3，将低密度c/c复合材料坯体置于装有2.3倍理论所需渗剂量渗剂的石墨坩埚中在温度1500℃真空环境下浸渗2h制备得到所需c/c
‑
cu受电弓滑板用复合材料。
[0066]
参照中国标准动车组滑板检验标准对所制备的受电弓滑板用c/c
‑
cu复合材料性能进行测试，测试结果如表4所示：
[0067]
表4本专利工艺制备的c/c
‑
cu复合材料性能参数
[0068][0069]
实施例4：
[0070]
c/c
‑
cu受电弓滑板用复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0071]
(1)采用三维编织工艺，用t300碳纤维制备出密度为0.7g/cm3的三维编织预制体件，结构如图2所示。
[0072]
(2)真空气氛下将三维编织预制体件在950℃温度下进行3h脱胶处理。
[0073]
(3)以天然气和丙烷为碳气源，氢气为稀释气体，在天然气：丙烷：氢气等于1：1：3，温度1050℃，压力2000pa的条件下，采用快速cvi法对预制体进行130h的致密化制得密度为1.48g/cm3的低密度碳纤维增强基体碳坯体。
[0074]
(4)将低密度碳纤维增强基体碳坯体在温度为2300℃，压力为4500pa氩气惰性气体保护条件下进行1.5h的高温石墨化处理。
[0075]
(5)将纯度大于等于99.99％，粒径1～2um，质量百分比cu 92％、cr 5％、w 1％、ni 2％的粉末放入球磨机中混合28h后在真空气氛2100℃下进行浇铸成锭，并分割成尺寸为3mm
×
3mm
×
3mm的方块。
[0076]
(6)参见图3，将低密度碳纤维增强基体碳坯体置于装有2.5倍理论所需渗剂量渗剂的石墨坩埚中在温度1700℃真空环境下浸渗2.5h制备得到所需c/c
‑
cu受电弓滑板用复合材料。
[0077]
参照中国标准动车组滑板检验标准对所制备的受电弓滑板用c/c
‑
cu复合材料性能进行测试，测试结果如表4所示：表4本发明制备的c/c
‑
cu复合材料性能参数
[0078]