纤维增强铜基复合材料接触线的增强芯

摘要

本发明实施例提供了一种纤维增强铜基复合材料接触线的增强芯，由铜合金丝和碳纤维束组成，增强芯的轴向包括多个重复的特征循环段，每个特征循环段的径向截面包括由碳纤维束与铜合金丝排列而成的子结构。在每个所述子结构内，一个或者多个碳纤维束和一个或者多个铜合金丝交错编织排列。由于碳纤维具有抗拉强度大，模量高等特点，故增强芯具有较大的抗拉强度，碳纤维与铜及添加的合金元素之间不存在电位差，可提升接触线整体的耐腐蚀性，故增强芯具有较强的耐电化学腐蚀性能。

说明书

技术领域

本发明涉及接触线技术领域，尤其涉及一种纤维增强铜基复合材料接触 线的增强芯。

背景技术

接触线是电气化铁路弓网系统的关键组成部分，要求具有足够的抗拉强 度来承受其悬挂张力，以保证电气化铁路机车获得良好的取流；同时要求具 有优异的导电性能，以保证电气化线路较低的电能损耗。

如今，国内电气化铁路建设进入了一个高速发展时期，时速为250公里、 350公里的高速铁路建设和运营的技术已经成熟，与此同时国内外掀起了时速 超过400公里的超高速铁路的开发和研究热潮，这对电气化铁路接触网提出了 更高的要求，要求接触线具备极高的抗拉强度来承受更高的悬挂张力，从而 提高接触线波动传播速度和降低机车高速运行时产生的离线火花。

铜合金是高速铁路接触线应用最广泛的材料。但长期以来，在铜合金接 触线的研究和制备中存在高强度和高导电性之间的矛盾。添加合金元素是提 高铜合金接触线抗拉强度的传统解决方法，然而添加溶质原子会导致晶格畸 变，进而造成其导电性能的降低。目前，现有的高强铜合金接触线都以牺牲 导电性和塑性为前提。

为了解决铜合金接触线存在高强度和高导电性之间的矛盾，国内外尝试 采用复合结构接触线，我国尝试使用了CGLN-250铝包钢电车线，日本也尝试 了许多种，诸如TA铝包钢、CS铜包钢、CSD铜包钢的接触线。但铝、钢、铜三 者电极电位不同，易发生电化学腐蚀，故整体存在耐腐蚀性差、金属增强芯 易与基体材料剥离等诸多问题。

发明内容

本发明的实施例提供了一种纤维增强铜基复合材料接触线的增强芯，以 提供一种结构和性能都满足铁标要求的纤维增强铜基复合材料接触线。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种纤维增强铜基复合材料接触线的增强芯，所述增强芯由铜合金丝和 碳纤维束组成，所述增强芯的轴向包括多个重复的特征循环段，每个特征循 环段的径向截面包括由碳纤维束与铜合金丝排列而成的子结构。

进一步地，在每个所述子结构内，一个或者多个碳纤维束和一个或者多 个铜合金丝交错编织排列。

进一步地，在每个特征循环段的径向截面中包括多个所述子结构，多个 所述子结构环绕所述增强芯的中心对称排列。

进一步地，每个子结构中的碳纤维束和铜合金丝环绕所述子结构的中心 旋转。

进一步地，在每个所述子结构内，一个或者多个碳纤维束和一个或者多 个铜合金丝复合构成。

进一步地，所述子结构包括三角形子结构、成对子结构和圆环子结构。

进一步地，所述增强芯的表面经过覆铜处理和表面圆整处理。

进一步地，所述增强芯和包覆所述增强芯的被铜合金基体中包括的合金 元素的类别相同，并且所述增强芯中添加的合金元素的质量百分比不高于设 定阈值。

进一步地，所述增强芯中的碳纤维束为抗拉强度在3.0GPa以上的碳纤 维。

所述铜合金丝中的合金元素包括铜银或铜锡或铜镁合金。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的 纤维增强铜基复合材料接触线以高导电性的铜合金为基体，以铜丝和碳纤维 束的编织芯或铜与碳纤维束的复合芯为增强芯，基体通过挤压工艺均匀地包 覆在增强芯表面，得到结构和性能满足铁标要求的纤维增强铜基复合材料接 触线。复合材料接触线在保证优良导电性的同时，可以增加线路最大悬挂张 力、降低接触线的重量、提升列车最高运行速度和提高接触线整体安全系 数。本发明实施例的纤维增强铜基复合材料接触线的增强芯以铜丝和碳纤维 束的编织构成或铜与碳纤维束复合构成，具有如下的有益效果：

1，碳纤维具有抗拉强度大，模量高等特点，故增强芯具有较大的抗拉强 度；

2，本发明实施例提供的增强芯中的碳纤维的质量约为相同体积铜的四分 之一，可以降低接触线的重量；碳纤维与铜及添加的合金元素之间不存在电 位差，可提升接触线整体的耐腐蚀性，故增强芯具有较强的耐电化学腐蚀性 能；

3、本发明采用的特殊编织结构和处理工艺，能够增强接触线挤压成形过 程中增强芯与包覆铜合金之间的结合性；

4，本发明采用的特殊编织结构使增强芯具有一定的伸缩性，可提升整体 的安全系数。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的 描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发 明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的 前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种纤维增强铜基复合材料接触线的增强芯的 结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种增强芯通过碳纤维束和铜合金丝交错编织 构成的示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种增强芯通过碳纤维束和铜合金丝交错编 织构成的示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种增强芯通过碳纤维束和铜合金丝交错编 织构成的示意图；

附图标记说明：

1.增强芯2.铜合金基体3.碳纤维束4.铜合金丝5.三角形子结构6. 成对子结构7.圆环子结构。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出， 其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功 能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发 明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式 “一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解 的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步 骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、 整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被 “连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或 者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无 线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项 的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语 (包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一 般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该 被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一 样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例 做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

我国高速铁路正线普遍采用150mm²截面的铜质接触线，每线每万公里耗电 解铜约1.3万吨。若采用120mm²截面的接触线，每吨电解铜铺设长度可达原铺 设长度的125％，但需要解决接触线的高强度和导电性问题。

本发明实施例的纤维增强铜基复合材料接触线的增强芯的结构示意图如 图1所示，图1中的增强芯1被铜合金基体2均匀包覆后，得到一种高强高导的 新型复合材料接触线，高导电性的铜合金基体2通过连续复合挤压工艺均匀地 包覆在由铜丝和碳纤维束编织的增强芯1上。上述增强芯1由碳纤维束3与铜合 金丝4组成，

在实际应用中，可以如图2所示，增强芯通过碳纤维束和铜合金丝交错编 织构成。在实际应用中，增强芯还可以通过碳纤维束与铜合金复合构成。

增强芯和包覆增强芯的铜合金基体中包括的合金元素的类别相同，并且 所述铜合金基体和所述增强芯中添加的合金元素的质量百分比不高于设定阈 值，该设定阈值可以为0.4％。增强芯中的碳纤维束为抗拉强度在3.0GPa以上 的碳纤维，铜合金基体中添加的合金元素为铜银或铜锡或铜镁合金，铜合金 基体和增强芯中包括的铜合金丝为低锡铜合金。

在图2中，纤维增强铜基复合材料接触线的增强芯结构是通过将碳纤维束 与铜合金丝交错编织得到的，故增强芯沿轴向具有重复性，称最短的重复段 为特征循环段，特征循环段的径向截面称为特征截面。在增强芯的一个特征 截面上，可将其划分成若干碳纤维束与铜合金丝紧密交错排列的子结构，每 个子结构中包括围绕增强芯中心的公转方向和绕子结构中心的自转方向。即 在每个特征循环段的径向截面中包括多个所述子结构，多个所述子结构环绕 所述增强芯的中心对称排列，每个子结构中的碳纤维束和铜合金丝环绕所述 子结构的中心自旋转。

实施例1：

取T700SC型碳纤维的12K纤维束和锡铜(锡含量为0.15％质量分数比)合 金丝，置于编织机中进行交错编织处理，得到的增强芯如图2所示，在Ar气体 保护气氛中，对增强芯进行覆铜和圆整处理。

在其特征循环段内，可视为由2束碳纤维束3和1根铜合金丝4组成的1个三 角子结构5，6个三角子结构5紧密环绕在1根铜合金丝周围，而后所有三角子 结构5螺旋引出，同时相邻三角子结构5的自旋方向相反。在本实施例增强芯 的一个特征循环段内，可视为三角子结构5沿轴向螺旋引出，期间三角子结构 自旋360°，并紧密环绕1根铜合金丝公转180°。本实施例中碳纤维束3与铜 合金丝4具有相同的截面直径。在增强芯的特征截面中碳纤维束3与铜合金丝4 的面积比接近3:2。

实施例2：

取SYT49型碳纤维的纤维束和银铜合金丝(银含量为0.10％质量分数 比)，置于编织机中进行交错编织处理，得到的增强芯如图3所示，在N2气体 保护气氛中，将增强芯覆铜并进行圆整处理。

在增强芯的通用循环段内，可视为先由1束碳纤维束3和1根铜合金丝4组 成的1个成对子结构6，8个成对子结构6紧密环绕而后螺旋引出，同时相邻成 对子结构6自螺旋方向相同。本实施例中碳纤维束3与铜合金丝4具有相同的截 面直径。在增强芯的特征截面中碳纤维束3与铜合金丝4的面积比接近1:1。

实施例3：

取SYT50型碳纤维的纤维束，置于编织机中进行交错编织处理，得到的增 强芯如图4所示，在真空气氛中，对增强芯进行覆铜加圆整处理。

在增强芯的特征循环段内，主要由碳纤维束组成，且其拥有相同的型号 和直径。本实施例采用层状结构，每一层中有直径相同的碳纤维束3沿周向均 布，构成圆环子结构7，有内层至外层包含的碳纤维束3的数量分别为1、6、 12、18。所有层的碳纤维束3沿轴向螺旋引出，任意相邻两层的碳纤维束3旋 向相反。

综上所述，本发明实施例的纤维增强铜基复合材料接触线的增强芯以铜 丝和碳纤维束的编织构成或铜与碳纤维束复合构成，具有如下的有益效果：

1，碳纤维具有抗拉强度大，模量高等特点，故增强芯具有较大的抗拉强 度；

2，本发明实施例提供的增强芯中的碳纤维的质量约为相同体积铜的四分 之一，可以降低接触线的重量；碳纤维与铜及添加的合金元素之间不存在电 位差，可提升接触线整体的耐腐蚀性，故增强芯具有较强的耐电化学腐蚀性 能；

3、本发明采用的特殊编织结构和处理工艺，能够增强接触线挤压成形过 程中增强芯与包覆铜合金之间的结合性；

4，本发明采用的特殊编织结构使增强芯具有一定的伸缩性，可提升整体 的安全系数。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中 的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到 本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解， 本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品 的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁 碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机， 服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所 述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同 相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同 之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例， 所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描 述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元 可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可 以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元 上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案 的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并 实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可 轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明 的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。