高性能电力机车受电弓滑板的研究

摘要

受电弓滑板是电力机车十分重要的集电元件，当前常用的滑板按照材质的不同，可分为粉末冶金滑板、碳滑板和浸金属碳滑板三种类型。随着我国电力机车高速化的不断发展，对滑板材料的要求不断地提高，现有的滑板已不能满足电力机车对滑板的要求。目前滑板材料主要存在以下缺点：粉末冶金滑板自润滑效果差，对铜导线磨损严重；碳滑板导电性能较差，且力学性能太低，易发生滑板折断的事故；浸金属碳滑板抗冲击性差，而且对铜导线磨损比较严重。本文针对当前滑板存在的种种缺点，研制出一种新型复合材料滑板。 该滑板主要由铜、碳纤维、石墨和少量添加剂等复合而成，为了解决铜与石墨、碳纤维之间润湿性差的问题，本文采取对石墨、碳纤维表面镀铜的方式来增强石墨、碳纤维与铜的界面结合力，从而提高复合材料的综合性能。 通过对几种石墨粉镀铜方法的研究，首次提出了以硫酸铜为主盐，锌为还原剂，用较廉价的AgNO3代替价格昂贵的PbCl2做活化剂的石墨粉化学镀铜新工艺。这种工艺不仅操作简单，成本低廉，而且镀铜迅速。 对碳纤维进行了化学镀铜和电镀铜试验，总结出以焦磷酸钾和焦磷酸铜为主盐，以OP-21为分散剂的碳纤维电镀铜新工艺。该工艺镀层均匀，镀铜颜色鲜红，并且镀铜与碳纤维结合紧密，解决了碳纤维束镀铜的“黑心”问题。 对碳纤维－铜复合材料和镀铜碳纤维－铜复合材料结合强度的抗弯试验表明，后者的抗弯强度提高了约11％，可见对碳纤维镀铜能大大提高碳铜复合材料的界面结合强度。 本文研制的新型滑板材料组成为：石墨含量15wt％，碳纤维含量1.5wt％，铅含量3wt％，添加剂含量0.02～0.04％，余者为铜。新型滑板的制备工艺为：成型压力200MPa，烧结温度为850℃，保温时间为6h。 本文研制的新型滑板的性能检测结果表明，该滑板具有良好的导电性能，较低的摩擦系数，较高的耐磨损性能。比国产C26碳滑板的导电率提高87倍，冲击韧性提高9.6倍，摩擦系数优化63.6％；比国产C26p浸金属碳滑板的导电率提高27倍，冲击韧性提高4.6倍，摩擦系数降低33.3％；比国产JM-1型碳纤维滑板的导电性提高30倍；比德国Rh82Mb滑板的导电性提高65倍，冲击韧性提高2.7倍，摩擦系数降低20％；比日本MC滑板的导电性提高44倍，冲击韧性提高3倍，摩擦系数降低62.5％。 滑板的放大试验结果表明，采用本文研究出的工艺，可以制造出工业规格的、性质优良的电力机车受电弓滑板材料。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1前言

1.1.1滑板简介

1.1.2中国铁路的电气化的发展

1.2国外导电滑板研究状况

1.3国内导电滑板研究状况

1.4导电滑板的发展趋势

1.5本文研究内容及意义

第二章 滑板材料制备及性能检测方法

2.1滑板材料制备工艺

2.1.1试验所用的主要仪器、设备

2.1.2滑板制备工艺

2.2石墨粉镀铜方法

2.2.1概述

2.2.2石墨粉镀铜工艺

2.3碳纤维镀铜方法

2.3.1概述

2.3.2碳纤维镀铜工艺

2.4滑板制备及性能检测方法

2.4.1滑板原料

2.4.2滑板制备方法

2.4.3滑板材料的性能检测方法

第三章 试验结果

3.1石墨粉镀铜结果

3.2碳纤维镀铜试验结果

3.2.1碳纤维化学镀铜

3.2.2碳纤维电镀铜

3.2.3碳纤维镀铜的小结

3.3制备滑板材料条件的试验结果

3.3.1碳纤维(石墨）不同镀铜层厚度试验结果

3.3.2不同碳纤维加入量试验结果

3.3.3不同成型压力试验结果

3.3.4石墨粉含量、铅含量、烧结温度、保温时间四因素正交试验结果

3.3.5不同碳纤维排列方向试验结果

3.3.6不同碳纤维长度试验结果

3.3.7不同添加剂试验结果

3.4采用最佳工艺制备滑板试验结果

3.4.1最佳工艺条件

3.4.2新型滑板样品性能检测结果

第四章 试验结果的讨论与分析

4.1新型滑板与铜磨损情况分析

4.2新型滑板的冲击断面扫描电镜形貌分析

4.3新型滑板与国内现有滑板材料的比较

4.4新型滑板和国外先进滑板材料的比较

4.5新型滑板与现有滑板对铜导线磨损的比较

4.6磨损机理分析

4.6.1磨损的基本类型

4.6.2提高滑板性能的途径

4.6.3镀铜对提高碳铜之间界面结合力分析

4.6.4镀铜层厚度对碳铜复合材料性能的影响

4.7滑板材料的界面结合状况分析

4.7.1碳纤维镀铜对碳铜复合材料界面的影响

4.7.2碳纤维镀铜对碳铜复合材料强度的影响

4.7.3新型滑板材料的界面结合状况

4.8小结

第五章 放大试验结果

5.1放大试验方法

5.1.1原料

5.1.2滑板制备方法及工艺条件

5.3滑板的性能检测结果

5.4不同规格的滑板的性能比较

5.5结语

第六章结论

参考文献

致谢

作者简历

攻读博士学位期间完成的论文