一种新型长寿命无轨电车集电弓滑板及其制备方法

摘要

本发明涉及一种新型长寿命无轨电车集电弓滑板及其制备方法，根据现有无轨电车集电弓滑板所存在的缺陷，提供一种新型无轨电车受电弓滑板设计制备方法，即采用等离子喷涂法在滑板基体上原位制备Cu‑Ti

说明书

技术领域

本发明涉及无轨电车集电弓滑板制备领域，具体涉及一种高性能长寿命无轨电车集电弓滑板及其制备方法。

背景技术

无轨电车素有“绿色公交”之称，是介于有轨电车和内燃机公共汽车之间的一种车辆，它将有轨电车和内燃机公共汽车的所有优点集于一身，而且克服了这两种交通工具的缺点。相比于有轨电车，无轨电车的牵引电动机在运行时产生的噪声要低于汽车的内燃机，橡胶轮胎摩擦产生的噪音也很小，加速和制动平稳，零污染排放，增加了乘坐的舒适度；无轨电车的机械可靠性和能源效率都比较高，使用寿命长，无怠速电能损失，加速度和爬坡性能好，动力和维修成本低，而且，由于不使用燃料和机油，无轨电车更加干净卫生、保养简单。因此，无轨电车是一种节能环保舒适卫生的轨道交通工具，具有良好的发展前景。

在无轨电车运行过程中，集电弓的主要作用是传输电流，所以要求集电弓材料的导电率要高；与此同时，由于集电弓滑板与架空导线在传输电流过程中为滑动摩擦接触，除正常的磨耗外，还会受到非正常的机械冲击负荷及电弧放电烧蚀，对集电弓的磨损和侵蚀较为严重，因此，还要求集电弓滑板具有优良的减磨耐磨性能和抗电弧烧蚀性能。目前，无轨电车的集电弓滑板主要是碳质滑块，其滑动接触性能稳定，耐电弧性能好，对无线电及电视的干扰小。但是，碳质集电弓滑板中仍然存在着不少问题，主要表现在以下方面。(1)碳滑板的机械强度较低，冲击韧性相对较差，在无轨电车运行过程中，集电弓滑板易掉块和破碎，使用寿命低，在使用过程中磨损严重，容易发生局部拉沟，特别是在雨季和潮湿地区，由于摩擦力增大，发生弓网故障的几率较高。(2)碳质材料的固有电阻大，接触压降较高，同时由于生产过程中的参数波动，碳质材料性能不均匀，对集电弓的导电性能产生很大影响。(3)现有的集电弓碳滑板的制备，需要经过原料混合、冷压和热压、加压固化和高温石墨化等多道工序，工艺流程步骤多，生产过程费时费力、生产效率低。(4)现有集电弓的生产成本较高，由于生产工艺的复杂困难，和材料成本的增加，使集电弓的造价较高。

为了克服这些问题，一些研究者从材料角度对集电弓滑板进行了改进，例如CN1186030A公开了一种无轨电车用碳纤维增强碳基复合材料受电滑块，以铜含量为20-80％的镀铜碳粉末为基体材料，采用重量百分比为1-25％的短碳纤维作为增强剂，以用量为5-25％的热固性树脂作为粘结剂。该滑块具有对接触导线磨损程度小、机械性能和导电性良好的特点。此外，部分研究者从结构上对集电弓滑板的设计方案进行了改进，例如CN204506573U公布了一种两极式集电弓的弓头，以便能够使集电弓的弓头在升起时能与接触网正极、负极可靠接触，从而满足无轨电车的受流要求。

以上专利从结构、材料等方面对集电弓滑板进行了改进，但仍旧采用碳系材料来制备集电弓滑板，无法从根本上解决碳滑板的破碎、掉渣问题，集电弓滑板的性能还有待进一步提高。目前，尚未见到国内外有通过制备导电耐磨复合涂层的方法，以提高集电弓滑板性能的专利或者文献。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高性能长寿命无轨电车集电弓滑板及其制备方法，采用等离子喷涂法在集电弓滑板基体表面原位制备Cu-Ti_nO_2n-1复合涂层(4≤n≤10)，利用陶瓷Ti₄O₇的高导电性和耐磨性，有效提高集电弓滑板导电、耐磨、耐腐蚀性能，延长了其使用寿命，同时降低了生产成本，具有良好的应用前景。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种无轨电车集电弓滑板，所述集电弓滑板包括：Cu-Ti_nO_2n-1复合涂层(1)、集电弓滑板基体(2)和两极式集电弓滑板座(3)；所述Cu-Ti_nO_2n-1复合涂层(1)包覆在集电弓滑板基体(2)表面，所述集电弓滑板基体(2)通过螺栓安装在两极式集电弓滑板座(3)上，其中4≤n≤10。

根据本发明，所述Cu-Ti_nO_2n-1复合涂层(1)中4≤n≤10，例如可以是4、5、6、7、8、9或10，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及处于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，按质量百分含量计，所述Cu-Ti_nO_2n-1复合涂层包括：Ti₄O₇>xO_2x-1>2>

根据本发明，按质量百分含量计，所述复合涂层中Ti₄O₇的含量为65-75％，例如可以是65％、66％、67％、68％、69％、70％、71％、72％、73％、74％或75％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，按质量百分含量计，所述复合涂层中Cu的含量为10-20％，例如可以是10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％或20％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，按质量百分含量计，所述复合涂层中Ti_xO_2x-1的含量为8-15％，例如可以是8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％或15％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，上述Ti_xO_2x-1中，x的范围为5≤x≤10，例如可以是5、6、7、8、9或10，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，按质量百分含量计，所述复合涂层中TiO₂的含量为5-10％，例如可以是5％、6％、7％、8％、9％或10％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，所述集电弓滑板基体为单金属基体，优选为铁基体。

第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的无轨电车集电弓滑板的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)制备核壳结构的Cu-TiO₂复合粉体；

(2)利用等离子喷涂在集电弓滑板基体表面制备复合涂层；

(3)将步骤(2)得到的具有复合涂层的集电弓滑板基体装配在集电弓滑板座上。

在上述等离子喷涂过程中，等离子焰流中氢的等离子体和氢气会与TiO₂中的氧发生化学反应(见式1,2)，夺走Ti-O键中的氧，产生氧空位，使TiO₂发生脱氧，生成具有缺氧相的亚氧化钛Ti₄O₇，从而获得高含量的Ti₄O₇，进而在集电弓滑板基体表面得到复合涂层。

TiO₂+H₂→Ti₄O₇+H₂O>

TiO₂+H⁺→Ti₄O₇+H₂O>

本发明选用本领域常用的手段制备Cu-TiO₂复合粉体，对其具体的方法并不做特殊限定，只要制备得到核壳结构的Cu-TiO₂复合粉体即可。如图2所示，所述Cu-TiO₂复合粉体中Cu为核，TiO₂包裹在Cu周围，形成壳体。采用核壳结构的Cu-TiO₂复合粉体作为原料，能够将Cu包覆在粉体内部，可有效减少Cu与空气的接触面积，抑制Cu的氧化；此外，TiO₂作为壳体，可与等离子体射流中的H₂充分接触并发生脱氧反应，从而提高亚氧化钛的转化效率。

本发明在步骤(1)中采用超声分散和喷雾干燥法制备所述核壳结构的Cu-TiO₂复合粉体，但非仅限于此，具体操作为：

(a)按质量百分含量计，将10-30％的Cu粉和70-90％的TiO₂粉混合，将所得混合粉末与去离子水和粘结剂混合搅拌，得到混合浆料；

(b)将步骤(a)所得混合浆料进行超声分散；

(c)将步骤(b)超声分散所得浆料进行喷雾造粒，得到核壳结构的Cu-TiO₂复合粉体。

根据本发明，按质量百分含量计，步骤(a)所述混合浆料中含有：20-40％混合粉末；60-78％去离子水；1-3％聚乙烯醇。

根据本发明，步骤(b)所述超声分散的时间为2-5h，频率为35-60Hz，温度为40-60℃。

本发明为了减少纳米TiO₂粉末的团聚现象，选择在步骤(b)所述超声分散过程中向混合浆料中加入浆料总重量0.1-1％的阴离子型聚羧酸盐电解质(SND6800)。

等离子喷涂技术为本领域应用较普遍的技术，本发明对于等离子喷涂设备的具体结构，机理等不再赘述，只限制了对本发明产生影响的关键参数。

所述步骤(2)的具体操作为：将核壳结构的Cu-TiO₂复合粉体通过送粉器输送到等离子喷涂设备的喷嘴前，以Ar和H₂为工作气体，控制电压电流，利用等离子焰的温度使等离子焰流中氢的等离子体和氢气与TiO₂中的氧发生化学反应生成Ti₄O₇，喷射到集电弓滑板基体表面后形成复合涂层。

根据本发明，所述Cu-TiO₂复合粉体的送粉速度为15-30g/min，例如可以是15g/min、17g/min、20g/min、23g/min、25g/min、27g/min或30g/min，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，所述工作气体中H₂的含量为Ar的20-30％，例如可以是20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％或30％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

对于本发明而言，H₂的比例必须控制在上述范围内，当H₂的比例过大时，会加速喷嘴和阴极的烧蚀，降低喷枪的寿命，同时H₂的电离度小，热晗较高，含量过高存在安全隐患。而当H₂的比例过小时，则会降低TiO₂脱氧反应的效率，降低产物中亚氧化钛的生成。

根据本发明，所述Ar的流量为120-140L/min，例如可以是120L/min、122L/min、124L/min、126L/min、128L/min、130L/min、132L/min、134L/min、136L/min、138L/min或140L/min，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

当Ar的流量过高时，不利于粉末的加热，粉末熔化不均匀，喷涂效率降低，涂层组织疏松，孔隙率增加。当Ar的流量过低时，会使喷枪工作电压下降，使焰流软弱无力，容易引起喷嘴烧蚀。

根据本发明，所述H₂的流量为30-40L/min，例如可以是30L/min、31L/min、32L/min、33L/min、34L/min、35L/min、36L/min、37L/min、38L/min、39L/min或40L/min，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

当H₂的流量过高或过低时，其带来的后果与上述H₂含量过高或过低类似，均不利于复合涂层的制备，制备过程中应尽力避免。

根据本发明，所述等离子喷涂时电压为130-150V，例如可以是130V、132V、134V、136V、138V、140V、142V、144V、146V、148V或150V，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，所述等离子喷涂时电流为440-460A，例如可以是440A、443A、445A、448A、450A、453A、455A、458A或460A，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

上述电压和电流是制备过程中的重要参数，电压与电流的乘积就是喷涂功率。当喷涂功率过大时，可能会使喷涂材料气化并引起涂层成分改变，蒸汽凝聚会引起涂层粘结不良，还会使喷嘴和电极加剧烧蚀。当喷涂功率过小时，则会引起喷涂粒子加热不足，涂层的粘结强度、硬度和沉积效率都降低。

根据本发明，所述等离子喷涂时喷嘴与集电弓滑板基体表面的距离为70-90mm，例如可以是70mm、73mm、75mm、78mm、80mm、83mm、85mm、88mm或90mm，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

当喷嘴与集电弓滑板基体表面的距离过远时，会使已经加热到熔融状态的粉末冷却，飞行速度降低，影响涂层与基体的结合，喷涂效率降低，涂层孔隙率增加。当距离过近时，会导致粉末加热不充分，影响结合强度，同时使基体温度过高，造成热变形。

本发明选择在等离子喷涂前对集电弓滑板基体表面进行预处理，所述预处理为：使用丙酮对集电弓滑板基体表面进行超声波清洗，以去除滑板表面的污染物；然后对清洗后的滑板表面进行喷砂预处理，在外表面上形成清洁的粗糙表面，增强熔融的喷涂粒子与基体表面的机械结合力，以提高涂层的结合强度。

本发明在步骤(3)所述装配前，根据预定的集电弓滑板截面尺寸，对所得集电弓滑板表面的复合涂层进行打磨抛光，打磨抛光后复合涂层的厚度降低了80-100μm，为300-320μm；然后通过螺栓安装在两极式集电弓滑板座上。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明在无轨电车集电弓滑板基体表面上制备复合涂层，主要组分为Ti₄O₇，Ti₄O₇为陶瓷材料，具有较高的机械强度和优良的耐腐蚀性，耐磨性能优异，在集电弓滑板工作过程中不会发生破碎、掉块等问题，磨损程度相对较小，提高了弓网系统的工作可靠性。使用过程中，复合涂层优先磨损和腐蚀，延长了集电弓滑板的使用寿命和工作可靠性。

(2)本发明采用等离子喷涂法制备Cu-Ti_nO_2n-1复合涂层(4≤n≤10)，充分利用陶瓷相的耐磨性能和软金属相的自润滑性能，涂层结构均匀致密，生产过程具有可重复性，可保证生产出来的集电弓滑板具有良好的质量稳定性。同时，Ti₄O₇具有类金属的高导电性，涂层中Ti₄O₇陶瓷的导电性是石墨的近两倍，涂层的电阻率在4-8μΩ·m之间，能够大幅提高集电弓滑板的导电性能，保证了无轨电车受流状况良好。

(3)本发明设计的集电弓滑板制备方法生产工艺简便快捷，将Cu-TiO₂粉末运用等离子喷涂法在金属基体上原位制备形成以廉价金属铸件为基体、高性能耐磨自润滑导电Cu-Ti_nO_2n-1复合涂层为工作层的集电弓滑板，在喷涂粒子中混入金属材料，喷涂粒子的导热系数明显增大，有利于粒子的充分熔化，改善了涂层的孔隙缺陷、内聚强度和结合强度。且金属基体可批量化铸造生产，喷涂工艺可同时对多个滑板基体进行喷涂作业，生产效率高、成品率高。

(4)本发明采用廉价金属为基材，Cu-TiO₂粉末作为喷涂原料，其中，主要组分TiO₂资源丰富，来源广泛，原料的成本低。滑板基体采用铁材，既保证了集电弓滑板的导电性，又减少了铜材的使用，减少了能源资源的消耗，降低了原料成本。同时，生产采用的等离子喷涂工艺成熟，生产成本低。

附图说明

图1是本发明制备的无轨电车集电弓滑板的结构示意图，其中，1为Cu-Ti_nO_2n-1复合涂层，2为集电弓滑板基体，3为两极式集电弓滑板座；

图2是核壳结构的Cu-TiO₂复合粉体的结构示意图；

图3是本发明实施例1中等离子喷涂后集电弓滑板基体的示意图，其中，1为Cu-Ti_nO_2n-1复合涂层，2为集电弓滑板基体。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

实施例1

(1)采用超声分散和喷雾干燥法制备Cu-TiO₂复合粉体

1)按质量百分含量计，取15％平均粒径为15μm的Cu粉与85％平均粒径为60nm的纳米TiO₂粉末进行掺杂混合，得到混合粉末；

2)按质量百分含量计，分别取23％混合粉末，74％去离子水和3％的粘结剂PVA混合后进行搅拌，得到混合浆料；

3)将步骤2)所得混合浆料置于超声反应器中，在40Hz的频率、55℃的温度下连续超声分散5小时，超声分散过程中，在浆料中加入占浆料总重的0.9％的分散剂SND 6800；

4)选用LGZ-25型离心式喷雾干燥机将步骤3)超声分散所得浆料进行喷雾造粒，选用的喷雾干燥参数如表1所示，喷雾造粒后得到核壳结构的Cu-TiO₂复合粉体。

表1

空气进口温度230℃浆料送给速率60g/min腔体空气温度151℃雾化空气流量12m³/h空气出口温度130℃高压空气压力0.4Mpa喷嘴旋转速度13000r/min

(2)利用等离子喷涂在无轨电车集电弓滑板基体表面制备复合涂层

1)喷涂前用丙酮对集电弓滑板基体表面进行超声波清洗，然后对清洗后的滑板表面进行喷砂处理；

2)将制备的核壳结构的Cu-TiO₂复合粉体通过送粉器输送到等离子喷涂设备的喷嘴前，送粉速度为25g/min；以Ar和H₂为工作气体，H₂的含量为Ar的25％，控制Ar气体的流量为140L/min，H₂气体的流量为35L/min；调节电压为电压为140V，电流为450A，喷涂距离为80mm，利用等离子焰温度使粉体达到熔融状态并以极高的速度(平均速度超过340m/s)喷射到集电弓滑板基体表面，在表面上得到复合涂层，如图3所示，将涂层设计为流线形，可有效提高弓网在高速条件下的受流性能。

(3)将具有复合涂层的集电弓滑板基体装配在集电弓滑板座上

根据预定的集电弓滑板截面尺寸，将所得涂层表面进行打磨抛光至规定粗糙度，抛光过程中涂层厚度下降了约80-100μm，最终所得的涂层厚度为300-320μm；然后将涂层经过打磨抛光处理后的集电弓滑板基体通过螺栓安装在两极式集电弓滑板座上，装配后的结构如图1所示。

实施例2

(1)采用超声分散和喷雾干燥法制备Cu-TiO₂复合粉体

1)按质量百分含量计，取30％平均粒径为15μm的Cu粉与70％平均粒径为60nm的纳米TiO₂粉末进行掺杂混合，得到混合粉末；

2)按质量百分含量计，分别取25％混合粉末，74％去离子水和1％的粘结剂PVA混合后进行搅拌，得到混合浆料；

3)将步骤2)所得混合浆料置于超声反应器中，在45Hz的频率、60℃的温度下连续超声分散3.5小时，超声分散过程中，在浆料中加入占浆料总重的0.5％的分散剂SND 6800；

4)选用LGZ-25型离心式喷雾干燥机将步骤3)超声分散所得浆料进行喷雾造粒，选用的喷雾干燥参数如实施例1中表1所示，喷雾造粒后得到核壳结构的Cu-TiO₂复合粉体。

(2)利用等离子喷涂在无轨电车集电弓滑板基体表面制备复合涂层

1)喷涂前用丙酮对集电弓滑板基体表面进行超声波清洗，然后对清洗后的表面进行喷砂处理；

2)将制备的核壳结构的Cu-TiO₂复合粉体通过送粉器输送到等离子喷涂设备的喷嘴前，送粉速度为15g/min；以Ar和H₂为工作气体，H₂的含量为Ar的30％，控制Ar气体的流量为130L/min，H₂气体的流量为39L/min；调节电压为电压为140V，电流为450A，喷涂距离为70mm，利用等离子焰温度使粉体达到熔融状态并以极高的速度(平均速度超过340m/s)喷射到集电弓滑板基体表面，在表面上得到复合涂层。

(3)将具有复合涂层的集电弓滑板基体装配在集电弓滑板座上

根据预定的集电弓滑板截面尺寸，将所得涂层表面进行打磨抛光至规定粗糙度，抛光过程中涂层厚度下降了约80-100μm，最终所得的涂层厚度为300-320μm；然后将集电弓滑板基体通过螺栓安装在两极式集电弓滑板座上。

对比例1

(1)制备Cu-TiO₂复合粉体；

1)按质量百分含量计，取15％平均粒径为15μm的Cu粉与85％平均粒径为60nm的纳米TiO₂粉末进行掺杂混合，得到混合粉末；

2)按质量百分含量计，分别取23％混合粉末，74％去离子水和3％的粘结剂PVA混合后进行搅拌，得到混合浆料；

3)选用LGZ-25型离心式喷雾干燥机将步骤2)所得浆料进行喷雾造粒，选用的喷雾干燥参数如表1所示，喷雾造粒后得到非核壳结构的Cu-TiO₂复合粉体。

(2)同实施例1步骤(2)；

(3)同实施例1步骤(3)。

经过检测，发现所得涂层中含有较多的CuO，且Ti₄O₇的含量不足，而TiO₂的含量则过多，不能得到本发明所述的复合涂层。

性能测试

以本发明实施例1、2以及对比例1得到的无轨电车集电弓滑板和市购的集电弓滑板为样品，采用微动摩擦磨损试验机(德国OPTIMOL公司生产)，在相同的条件下测试其涂层的摩擦性能。采用球盘往复式的摩擦形式，在大气环境中，室温条件下进行测试。其中，载荷大小为20N，频率20Hz，往复行程1.5mm，时间60mim。对偶件是镀铬球，直径10mm。

同时采用本领域常规的方法测试其电阻率，测试结果如表2所示：

表2

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。