專利名稱：受流器滑塊用炭基復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種適于導電軌受電的地鐵和輕軌車輛受流器滑塊用炭基復合材料 及其制備方法，屬于炭基復合材料技術領域。
背景技術：
城市軌道車輛受電方式有兩種架空接觸網和導電軌。導電軌受電系統因其易于 安裝、檢修方便、壽命長、環境影響小，正在受到越來越廣泛的重視和應用。受流器滑塊是導 電軌受電系統的關鍵集電元件，長期與導電軌道滑動接觸，所以要求滑塊材料不僅具有良 好的導電性能，還要有較高的機械強度，較小的摩擦系數，此外針對其更換頻繁，使用率高 的特點，該滑塊材料還應具有簡單的成型工藝和低廉的成本。早期使用的受流器滑塊為黃銅材料，導電軌為低炭鋼軌，如北京、天津早期的地 鐵。黃銅材料的特性是導電性好，對導電軌磨耗小，但是自身耐磨性較差，該滑塊使用壽命 不超過3個月，2個車輛段每年僅此項開支就要超過100萬元。新建設的線路多采用高導電 性的鋼鋁復合軌(如正在建設中的北京地鐵五號線、四號線，廣州地鐵四號線、五號線及天 津地鐵一號線)，而目前專門用于鋼鋁復合軌的受流器滑塊炭基復合材料未見相關報道。與導電軌受電相關的技術有公開號為CN2598823Y的專利《受流器接觸板》，為 解決導電軌和接觸板自身磨損問題，設計了一個開有螺桿安裝孔中部固裝石墨滑塊的支承 體，該發明與原銅質滑塊相比導電性好，耐磨性提高，但該發明使用的滑塊材料為純石墨制 品，機械強度較差，使用中易出現斷裂、掉塊現象；公開號為CN1932067A的發明專利《一種 銅基石墨與鋯粉末冶金復合材料及其制備方法和用途》，公開了一種用于磁浮列車受流器 受電靴滑塊的粉末冶金復合材料制備方法，即將基體銅與鋯粉先燒結成形后粉碎，再與其 它添加劑經過初壓、燒結、復壓后制得復合材料，該方法制備的復合材料有較高的機械強度 和良好的導電性能，但摩擦系數偏大。目前涉及接觸網受電弓滑板材料制備技術的文獻和專利較多。公知的受電弓滑 板材料制備方法主要有純金屬滑板、粉末冶金滑板、純炭滑板及浸金屬炭滑板，以上方法制 備的滑板材料綜合性能不是很好。為了改進受電弓滑板材料綜合性能，公開號CN1178745A 的專利提出了一種電力機車用炭-炭復合材料受電弓滑板材料制備方法以鍍銅炭粉為 基體，短炭纖維為增強劑，熱固性樹脂為粘結劑，濕態或干態混合后冷壓或熱壓成型，該發 明制備的受電弓滑板有良好的導電性能；公開號CN1719549A的專利提出了一種混雜纖維 增強復合材料受電弓滑板制備方法以金屬網和混雜纖維增強復合材料為基材并使之相 互層間分布，該發明制備的受電弓滑板有良好的機械性能、導電性能，磨耗也較小；公開號 CN1793408A的專利提出了一種電力機車受電弓滑板材料制備方法以銅為基體，鍍銅炭材 料為減摩劑，鍍銅炭纖維為增強劑，鉛、鐵、鉻、鑭金屬粉為添加劑，將所有組分混合模壓成 型后燒結，該發明制備的受電弓滑板綜合性能較好。上述受電弓滑板材料制備方法都是建 立在接觸網受電基礎上，這種受電方式下與受電弓滑板形成摩擦副的是銅接觸網，而采用 導電軌受電的軌道車輛，受流器滑塊與鋼鋁復合軌形成摩擦副。顯然由于受電方式不同，摩擦副材料不同，上述受電弓滑板材料不適合直接用作受流器滑塊材料。
發明內容
本發明的目的是針對上述受流器滑塊材料的不足，提出一種新型受流器滑塊用炭 基復合材料及其制備方法。本發明的技術方案如下本發明的受流器滑塊用炭基復合材料，具體組成為以石墨、活性炭兩者的混合物 作為基體，兩者含量占總組分質量百分比分別為15-30%和20-30%;以銅粉作為導電組分， 導電組分含量在總組分中所占的質量百分比為15-35% ；以固態酚醛樹脂為粘結劑，其在總 組分中所占的質量百分比為10-20% ；以硅粉、玻璃粉、氧化鋁、鋁粉、錫粉、鈷粉和二硫化 鉬的混合物作為改性劑，在總組分中所占的質量百分比分別為1-6%，1-6%，1-6%，2-8%， 2-8%，1-2%和1_2%。將上述物料采用干態混合的方法，將原料充分混合后進行熱壓成型， 然后在氮氣氣氛中常壓炭化，然后在真空爐中壓力100-150Pa和溫度25-50°C條件下滲積 硅溶膠，最后得到炭基滑塊材料。其中，銅粉粒度小于200目，石墨和活性炭粒度小于200目；硅粉、玻璃粉、氧化鋁、 鋁粉、錫粉、鈷粉和二硫化鉬的粒度小于200目。上述受流器滑塊用炭基復合材料制備方法 包括以下幾個步驟(1)混料先將石墨、活性炭和固態酚醛樹脂三者均勻混合，同時另將硅粉、玻璃 粉、氧化鋁、鋁粉、錫粉、鈷粉、銅粉和二硫化鉬粉末混合均勻，然后將兩組混合物在球磨機 中攪拌混合，球磨時間10-20h制成模壓粉料；(2)熱壓成型將步驟(1)制得的模壓粉料放入模具中，在熱壓成型機上分四個階 段加熱加壓固化成型第一階段溫度60_80°C，壓力10_50MPa，保壓時間30min第二階段溫度100-110°C，壓力 200-250MPa，保壓時間30min第三階段溫度180_250°C，壓力200_250MPa，保壓時間4_8h第四階段溫度350-450°C，壓力200_220MPa，保壓時間10_15h ；(3)燒結對步驟⑵所壓制的試樣在真空炭化爐中進行燒結處理，處理溫度為 700-900°C，升溫速度為1.5°C/min，燒結壓力為1個大氣壓；燒結氣氛為氮氣，保溫時間 4-10h ；(4)將步驟(3)燒結后的樣品放在1. 8mol/L的硅溶膠溶液中，之后一起放入真空 爐，滲積壓力100-150Pa，溫度為25-50°C。本發明的優點及功效在于依照本發明方法制備的受流器滑塊用炭基復合材料， 具有金屬導電網絡結構，能有效地提高材料的導電性能；石墨既作為基體，又起到減摩作 用，制備的滑塊材料摩擦系數小，改性成分可以改善金屬基體與炭基體的界面結合，提高炭 基滑塊材料的機械性能。同時本發明制備工藝簡單，成本低廉，適于進行大批量生產。
圖1為本發明實施例1的受流器滑塊用炭基復合材料組織結構圖；圖2為本發明實施例2的受流器滑塊用炭基復合材料組織結構圖。
單位說明
0C 攝氏度
1/11:攝氏度/小時
MPa 兆帕
g/cm3:克/立方厘米
KJ/m2 千焦/平方米
Ω · m 歐 米
mm 毫米
Wt % 質量百分比
min 分鐘
h 小時
mol/L 摩爾每升
具體實施例方式下面結合幾個具體實例進一步說明本發明的技術方案。實施例1 (1)混料先將石墨、活性炭和固態酚醛樹脂按質量比為20%，25%和10%均勻混 合，同時另將硅粉、玻璃粉、氧化鋁、鋁粉、錫粉、鈷粉、銅粉和二硫化鉬粉末按質量比為5%， 3%，3%，3%，3%，1%，25%和2%混合均勻，然后將兩組混合物在球磨機中攪拌混合，球磨 時間IOh制成模壓粉料；(2)熱壓成型將步驟⑴制得的模壓粉料放入模具中，在熱壓成型機上分四個階 段加熱加壓固化成型第一階段溫度80°C，壓力50MPa，保壓時間30min第二階段溫度100°C，壓力200MPa，保壓時間30min第三階段溫度200°C，壓力200MPa，保壓時間4_8h第四階段溫度350°C，壓力220MPa，保壓時間10_15h ；(3)燒結對步驟⑵所壓制的試樣在真空炭化爐中進行燒結處理，處理溫度為 700°C，升溫速度為1. 5°C /min，燒結壓力為1個大氣壓；燒結氣氛為氮氣，保溫時間4h ；(4)將步驟(3)燒結后的樣品放在1. 8mol/L的硅溶膠溶液中，之后一起放入真空 爐，滲積壓力lOOPa，溫度為25°C。制得的滑塊材料密度為2. 14g/cm3,電阻率為7. 6X 10_6Ω · m，彎曲強度為68MPa， 壓縮強度為187MPa，沖擊強度為8. 16KJ/m2，摩擦系數為0. 17，金相照片如圖1所示。實施例2 (1)混料先將石墨、活性炭和固態酚醛樹脂按質量比為20%，25%和10%均勻混 合，同時另將硅粉、玻璃粉、氧化鋁、鋁粉、錫粉、鈷粉、銅粉和二硫化鉬粉末按質量比為5%， 1%，1%，5%，5%，1%，25%和2%混合均勻，然后將兩組混合物在球磨機中攪拌混合，球磨 時間IOh制成模壓粉料；(2)熱壓成型將步驟(1)制得的模壓粉料放入模具中，在熱壓成型機上分四個階 段加熱加壓固化成型
第一階段溫度80°C，壓力50MPa，保壓時間30min第二階段溫度100°C，壓力200MPa，保壓時間30min第三階段溫度200°C，壓力200MPa，保壓時間4_8h第四階段溫度350°C，壓力220MPa，保壓時間10_15h ；(3)燒結對步驟(2)所壓制的試樣在真空炭化爐中進行燒結處理，處理溫度為 700°C，升溫速度為1. 5°C /min，燒結壓力為1個大氣壓；燒結氣氛為氮氣，保溫時間4h ；(4)將步驟(3)燒結后的樣品放在1. 8mol/L的硅溶膠溶液中，之后一起放入真空 爐，滲積壓力lOOPa，溫度為25°C。制得的滑塊材料密度為2. 19g/cm3,電阻率為6. 5 X IO"6 Ω · m，彎曲強度為72MPa， 壓縮強度為192MPa，沖擊強度為9. 34KJ/m2，摩擦系數為0. 15，金相照片如圖2所示。本發明制備的滑塊材料綜合性能優良，制備工藝簡單，成本低廉，適于大批量生產。
權利要求
1.一種受流器滑塊用炭基復合材料，其特征在于該材料是以石墨、活性炭兩者的混 合物作為基體，兩者含量占總組分質量百分比分別為15-30%和20-30% ；以銅粉作為導電 組分，導電組分含量在總組分中所占的質量百分比為15-35% ；以固態酚醛樹脂為粘結劑， 其在總組分中所占的質量百分比為10-20% ；以硅粉、玻璃粉、氧化鋁、鋁粉、錫粉、鈷粉和 二硫化鉬的混合物作為改性劑，在總組分中所占的質量百分比分別為1_6%，1-6%，1-6%， 2-8%，2-8%，1-2% 和 1-2%。
2.根據權利要求1所述的軌道車輛用炭基滑塊材料，其特征在于所述銅粉粒度小于 200目，石墨和活性炭粒度小于200目；硅粉、玻璃粉、氧化鋁、鋁粉、錫粉、鈷粉和二硫化鉬 的粒度小于200目。
3.—種軌道車輛用炭基滑塊材料的制備工藝，其特征在于該工藝包括以下幾個步驟(1)混料先將石墨、活性炭和固態酚醛樹脂三者均勻混合，同時另將硅粉、玻璃粉、氧 化鋁、鋁粉、錫粉、鈷粉、銅粉和二硫化鉬粉末混合均勻，然后將兩組混合物在球磨機中攪拌 混合，球磨時間10_20h制成模壓粉料；(2)熱壓成型將步驟(1)制得的模壓粉料放入模具中，在熱壓成型機上分四個階段加 熱加壓固化成型第一階段溫度60-80°C，壓力10-50MPa，保壓時間30min ；第二階段溫度100-110°C，壓力200-250MPa，保壓時間30min ；第三階段溫度180-250°C，壓力200-250MPa，保壓時間4_8h ；第四階段溫度350-450°C，壓力200-220MPa，保壓時間10_15h ；(3)燒結對步驟(2)所壓制的試樣在真空炭化爐中進行燒結處理，處理溫度為 700-900°C，升溫速度為1.5°C/min，燒結壓力為1個大氣壓；燒結氣氛為氮氣，保溫時間 4-10h ；(4)將步驟(3)燒結后的樣品放在1.8mol/L的硅溶膠溶液中，之后一起放入真空爐，滲 積壓力100-150Pa，溫度為25-50°C。
全文摘要
本發明涉及一種受流器滑塊用炭基復合材料，其特征在于該材料是以石墨、活性炭兩者的混合物作為基體，兩者含量占總組分質量百分比分別為15-30％和20-30％；以銅粉作為導電組分，導電組分含量在總組分中所占的質量百分比為15-35％；以固態酚醛樹脂為粘結劑，其在總組分中所占的質量百分比為10-20％；以硅粉、玻璃粉、氧化鋁、鋁粉、錫粉、鈷粉和二硫化鉬的混合物作為改性劑，在總組分中所占的質量百分比分別為1-6％，1-6％，1-6％，2-8％，2-8％，1-2％和1-2％。本發明的材料具有金屬導電網絡結構，能有效地提高材料的導電性能；石墨既作為基體，又起到減摩作用，制備的滑塊材料摩擦系數小，改性成分可以改善金屬基體與炭基體的界面結合，提高炭基滑塊材料的機械性能。
文檔編號C22C1/05GK102002621SQ20101050629
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月9日 優先權日2010年10月9日
發明者李進松, 王宇清, 羅瑞盈, 郝名揚 申請人:北京航空航天大學