连续长碳纤维增强碳铜复合材料受电弓滑板

摘要

一种连续长碳纤维增强碳铜复合材料受电弓滑板,以镀铜复合粉料为基体骨料,复合粉料包括石墨、焦炭、炭黑等碳质材料及金属粉末,用热固性树脂混合造粒,冷压时加入连续长碳纤维作为增强剂,再进行热压或热挤压成型处理。本发明制造的受电弓滑板综合性能非常优良,不仅具有优异的抗冲击性及抗折强度,还具有良好的摩擦磨损性能和导电性能,能满足现代高速铁路和轨道交通电力机车的需求。

说明书

本发明涉及一种新型的连续长碳纤维增强碳铜复合材料受电弓滑板的配方和制备方法，可应用于城市轨道交通及高速铁路电力机车上，属交通运输部车辆配件技术领域。

目前的电力机车受电弓滑板使用的材料主要有粉末冶金材料和碳质材料等。粉末冶金滑板采用铜基粉料或铁基粉料为基体，加入其他金属粉末和非金属粉末压制烧结而成，机械强度高，耐磨性好，本身含有固体润滑剂，润滑性能比纯金属好，但粉末冶金滑板对铜导线的磨损十分严重，在外部润滑难以保证时磨损加剧，而且在使用中易产生电弧，不但增大了机械磨损和电弧磨损，还干扰无线电信号。碳质滑板材料中最初使用的是纯碳滑板，纯碳滑板对架空线磨损非常小，耐电弧性也好，在使用过程中，能在接触网导线上形成一层碳膜，有效地保护了接触网导线，同时，它还具有良好的接触稳定性，对无线电信号干扰很小，但是纯碳滑板机械性能太差，使用中易掉块和断裂，引发弓网事故。在碳滑板基础上，国际上又开发了新型的浸渍金属碳滑板，其中以英国摩根碳素公司的MY7D最为著名。国内这方面的工作始于八十年代，在九十年代初期开始装车试验，目前已在一些机务段使用。浸渍金属碳滑板是将碳基体在高温高压下浸渍金属，所用浸渍金属主要有铜、铅、锡、锑、镍等元素。上述金属或合金在压力下渗入到碳材料的气孔中，在碳基体中形成细密的网状结构，该材料强度、韧性和耐磨性比基体碳好，热导率和电导率较高，接触电阻小。但是这种滑板工艺复杂，成本较高，对铜接触网导线的磨损比纯碳滑板严重的多，而且抗冲击性能差。

公开号为CN1178745A的发明专利所述的用短碳纤维增强的碳-碳复合材料受电弓滑板，有效解决了滑板本身及对铜导线磨损严重的问题，但对现代高速铁路和轨道交通电力机车对滑板材料要求的高冲击性能及高抗折强度还有距离，而且该滑板材料的电阻率偏高。

本发明的目的在于根据上述现有电力机车受电弓滑板所存在的问题，提出一种新型复合材料受电弓滑板及其制造方法，使之兼有碳纤维增强材料的高机械性能和铜石墨复合材料良好的润滑特性和导电性，并提高其抗冲击性及抗折强度，能满足现代高速铁路和轨道交通电力机车的需求。

为实现这样的发明目的，本发明的技术解决方案为：采用连续长碳纤维增强碳铜复合材料来制造轨道交通电力机车受电弓滑板，即以碳-铜复合材料为基体骨料，其主要组分可以包括铜、石墨、焦炭、炭黑等碳质材料，铅、锡等金属粉末以及粘结剂等，以连续长碳纤维作增强剂，将原料充分混合后进行冷压，在冷压过程中加入连续长碳纤维，然后再进行热压或热挤压处理，得到所需的电力机车用连续长碳纤维增强碳铜复合材料受电弓滑板。

本发明所使用的复合粉料是由石墨、焦炭、炭黑等碳质材料以及铅、锡等金属和粘结剂等各种组分混合造粒而成，该复合粉料镀铜或铜合金后作为滑板材料的基体骨料。在作为基体骨料的碳-铜复合材料中，铜或铜合金的金相组织呈网络状，而且均匀分布，充分发挥了铜的导电性，使复合材料的导电性能比镀铜碳粉直接与粘结剂混制的基体材料有大的提高，而且能充分发挥石墨的润滑性能并易于保持滑板性能的稳定。在作为基体的碳铜复合材料中，铜的含量一般在20wt％～65wt％之间，铅锡的含量在0～20wt％之间，粉末的粒度在30目以上，所用连续长碳纤维直径小于20μm，长度不大于滑板长度，可以是沥青基或聚丙烯腈基碳纤维，也可以是石墨碳纤维，其重量含量在0.05～10％之间，碳纤维在基体中分布在垂直于相对滑动方向的平面内。用作粘结剂的材料可用热固性树脂，如苯酚系列，环氧系列，糠酮系列等。这些粘结剂可以单独使用，也可以混合使用，用量一般在3wt％～25wt％之间。碳质粉料中取石墨为70～90％，焦炭为10～20％，炭黑为0～10％。通过调整各组分的含量可获得性能不同的滑板材料。

本发明连续长碳纤维增强碳铜复合材料受电弓滑板的制造工艺为冷压-热压(或热挤压)。冷压时加入碳纤维，冷压压力不低于50MPa，保压时间不少于10秒，冷压成型后再进行热压，热压压力不低于100MPa，热压温度和保压时间视粘结剂含量和种类的不同而有所不同，一般热压温度不低于100℃，保压时间不少于2分钟，热挤压的温度不低于100℃。

下面结合几个具体的实施例来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1：

镀铜复合粉料含铜35％，石墨粉35％，焦炭粉4％，炭黑粉4％，铅3％，锡3％，酚醛树脂12％，混合造粒后在100MPa压力下冷压60秒，在冷压装料的同时按要求加入4％的预处理过的连续碳纤维，成型后在270MPa压力、150℃～160℃下热压5分钟，制成的滑板密度为2.38g/cm³，电阻率为5.0μΩm，夏氏冲击值为0.88J/cm²。这种滑板可用于接触网架设标准高，着重要求对接触网导线磨损小的场合。

实施例2：

镀铜复合粉料含铜42％，石墨粉40％，焦炭粉5％，酚醛树脂10％，取3％预处理过的连续碳纤维，在150Mpa下冷压30秒，在冷压时把碳纤维加入到压块中，然后在245MPa/140℃下热压7分钟，制成的滑板密度为2.54g/cm³，电阻率为8.5μΩm，夏氏冲击值为1.33J/CM²。这种滑板可用于接触网条件较好，对滑板有一定机械性能要求的场合。

实施例3：

镀铜复合粉料含铜30％，石墨粉40％，焦炭粉10％，炭黑粉2％，酚醛树脂15％，取3％预处理过的连续碳纤维，冷压时加入，在100MPa下保压1分钟，然后在130℃、200MPa下热压10分钟。制成的滑板密度为2.72g/cm³，电阻率为10.7μΩm，夏氏冲击值高达2.46J/cm²。这种滑板可用于对机械性能要求高、速度快的场合。

本发明制备的电力机车用连续长碳纤维增强碳铜复合材料受电弓滑板具有优异的抗冲击性、抗折强度以及优良的摩擦磨损性能和导电性能，对铜接触导线的磨损非常小，是目前任何一种滑板材料所无法达到的综合性能优良的滑板材料。