一種金屬型c/c復合材料碳滑條的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種金屬型C/C復合材料碳滑條的制備方法，屬于電力機車用材料制 備技術領域。
【背景技術】
[0002] 電力牽引的高速列車是通過受電弓碳滑板上的碳滑條與接觸網導線摩擦接觸，將 電網上的電流傳輸給機車電力系統，從而供給高速列車動力，維持機車正常運行的。
[0003] 目前，廣泛使用的碳滑條除純碳材料外，還有一種浸金屬型碳滑條。浸金屬碳滑條 比純碳滑條的工況更為苛刻，應具有更低的電阻率，動車組碳滑板暫行技術條件TJ/CL328-2014規定其電阻率應<12μΩ ·πι。
[0004] 碳滑板在使用過程中，通過的電流高達500Α，會出現發熱的現象。當滑板溫度過高 時，會造成粘結面開裂，滑板不能有效將電流傳遞給電力機車，嚴重時，碳滑條直接從滑板 上脫落，刮壞網線，嚴重威脅行車安全。因此，優異的碳滑條應具有高的熱容量。
[0005] 為確保電力機車的安全和可靠，金屬型碳滑條應具備低電阻率、高熱容量和低成 本。目前，專利申請號02138492.4"電力機車受電弓用碳纖維增強碳滑板及其制造方法"公 開了一種以石墨、銅粉為填料，短碳纖維為增強材料，采用模壓工藝生產碳滑條的方法，材 料的電阻率偏高，為8~12.8μ Ω · 1200910046875.4"網狀燒結碳-銅復合材料受電弓滑板 及其制造方法"將銅粉、石墨粉、鈦粉等與樹脂混合，涂覆于碳纖維布上，經熱壓固化、燒結 等工序制備了碳滑條，其電阻率為9.6~18.8μΩ · m。專利申請號201310111822.2"一種受 電弓滑板用復合材料及其制備方法"公開了一種采用碳纖維與銅絲的三維編織體，經化學 氣相沉積和樹脂浸漬-碳化工藝制備的碳滑條，電阻率為5.7~8.1μ Ω · m。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的技術問題是針對現有金屬型碳纖維滑板電阻率大、工藝成本高 的問題，提供一種便于工業化應用的、低電阻率的、低成本的、高熱容量的金屬型C/C復合材 料碳滑條的制備方法。
[0007] 本發明一種金屬型C/C復合材料碳滑條的制備方法，包括下述步驟：
[0008] 步驟一
[0009] 將單層0°無煒炭布，炭纖維網胎、石墨粉、銅材、單層90°無煒炭布、炭纖維網胎、石 墨粉、銅材、單層〇°無煒炭布依次循環疊加后，采用接力式針刺的方法在垂直于鋪層方向引 入炭纖維束制成密度為0.6~2.6g/cm 3的2.5D炭纖維針刺整體氈;所述銅材選自銅粉、銅 網、短銅絲中的一種，所述2.f5D炭纖維針刺整體氈中，石墨粉的質量百分含量為1%~10%; 銅材的質量百分含量為20-90%、優選為25-75%，進一步優選為50-75% ;
[0010] 步驟二
[0011]以步驟一所得2.5D炭纖維針刺整體氈為框架，對框架進行化學氣相沉積熱解碳處 理;得到〇/(：-(：11復合材料;所述0/(：-(：11復合材料的密度為框架密度的1.5-2.2倍、優選為 1.5-1.8倍，進一步優選為1.5-1.6倍；
[0012] 步驟三
[0013] 按設計滑條的尺寸，對步驟二所得C/C-Cu復合材料進行機械加工，并預留加工余 量后進行聚合物浸漬-炭化處理，得到成品;所述成品密度為步驟二所的C/C-Cu復合材料密 度的1.02-1.15倍、優選為1.04-1.12倍，進一步優選為1.10-1.12倍。
[0014] 本發明步驟一中，所使用的石墨粉為鱗片石墨或顆粒石墨，所述石墨粉的粒度小 于等于150微米，優選為38-150微米、進一步優選為50-150微米。
[0015]本發明步驟一中，所使用的銅粉為紫銅粉、銅合金粉，粒度為100~325目，所使用 銅網的目數為20~100目、銅網所用絲的直徑為0.05~0.2mm、銅網的材質選自紫銅、磷青 銅、黃銅中的一種，所使用短銅絲的直徑為〇. 05~0.2mm，長度為2~20mm，短銅絲的材質選 自紫銅、磷青銅、黃銅中的一種。
[0016]本發明步驟二中，化學氣相沉積熱解碳處理的條件參數為：
[0017]碳源氣體選自丙烯、天然氣、甲烷中的至少一種；
[0018] 稀釋氣體選自氮氣、氫氣中的至少一種；
[0019] 碳源氣體和稀釋氣體的體積比為08. -1.2:2.8-3.2、優選為1:3。
[0020] 本發明步驟三中，聚合物浸漬-炭化處理所用聚合物浸漬液為樹脂溶液。優選為瀝 青和呋喃樹脂組成的混合溶液或呋喃樹脂溶液。
[0021] 本發明步驟三中，按設計滑條的尺寸，對步驟二所得C/C-Cu復合材料進行機械加 工，并預留加工余量后，置于40-80°C、優選為50-70°C、進一步優選為55-65°C的聚合物浸漬 液中，采用加壓浸漬的方式浸漬處理1-3小時后，升溫至180-210°C進行固化處理2.5-3.5小 時；固化完成后進行碳化處理，碳化處理時，控制溫度為830-880°C，單次碳化處理的時間為 40-60小時;按浸漬/固化/碳化處理的方式循環操作直至得到得到成品。
[0022]本發明步驟三中，采用加壓浸漬時，控制浸漬壓力為l_3MPa。
[0023] 原理和優勢
[0024] (1)本發明通過適量的各種原材料和制備工藝的協同作用，取得意想不到的結果， 尤其是在所制備材料，在銅含量相當的情況下，其電阻率較現有材料有顯著下降。
[0025] (2)本發明采用工藝簡單，工藝成本低，能顯著提高產品的競爭力，便于工業化生 產。
[0026] 具體實施
[0027]對比例1:專利申請號201310111822.2"一種受電弓滑板用復合材料及其制備方 法"制備了銅絲質量含量為25%，坯體密度為l.Og/cm3的氈體，通過化學氣相沉積和浸漬-碳化處理，獲得最終密度為1.96g/cm3的樣品，其電阻率為5.67μ Ω · m，見表1。
[0028] 對比例2:
[0029]采用密度為0.56g/cm3的2.5D炭纖維針刺整體氈為預制體，通過化學氣相滲透工 藝和樹脂浸漬-炭化工藝制備的密度為1.74g/cm3的C/C復合材料，具體性能見表1。
[0030] 實施例1:
[0031] 采用銅絲直徑為0.12mm，目數為40目，質量含量為23%的紫銅網、石墨粉(質量百 分含量為10 %)、碳纖維，制成密度為〇. 94g/cm3的2.5D炭纖維針刺整體氈，通過化學氣相滲 透工藝制備了密度為1.72g/cm3的C/C復合材料，經過兩次樹脂浸漬-炭化工藝，制備了密度 為1.96g/cm3的C/C復合材料。
[0032]本實施例中的C/C受電弓滑條主要通過以下步驟制備而來：
[0033] (1)首先，采用日本東麗公司（Toray)生產的PAN型T700(12K)炭纖維制成網胎和無 煒布，將單層0°無煒布、網胎層、石墨粉(粒度為100微米）、紫銅網、單層90°無煒布、網胎層、 石墨粉(粒度為100微米）、紫銅網、單層0°無煒布依次循環疊加，然后，采用接力式針刺的方 法制成密度為0.94g/cm 3的炭纖維預制體。
[0034] (2)采用丙烯為碳源氣體，氮氣為稀釋氣，丙烯與氮氣的體積比為1:3,采用化學氣 相滲透法對預制體在850°C下沉積熱解碳，沉積320小時后制得密度為1.78g/cm3的C/C復合 材料。
[0035] (3)采用設計的石墨工裝將上述切割成的C/C滑條放入真空-壓力浸漬罐中，以呋 喃樹脂為浸漬劑，采用高壓浸漬工藝處理。浸漬前，試樣應先預熱，浸漬溫度為60°C，浸漬壓 力為2MPa，保壓時間為1.5小時。之后，升溫至200°C，保溫約3小時進行固化。固化后轉炭化 爐進行炭化處理，炭化溫度為850°C。循環兩次后，制品密度達到1.96g/cm 3，具體性能見表 1〇
[0036] 實施例2:
[0037]采用密度為1.25g/cm3的2.5D炭纖維針刺整體氈為預制體，其中，預制體中包含有 銅粉，銅粉為-200目電解紫銅粉，質量含量為71%;石墨粉的質量百分含量為5%。通過化學 氣相滲透工藝制備了密度為2.24g/cm 3的C/C復合材料，經過三次樹脂浸漬-炭化工藝，制備 了密度為2 · 47g/cm3的C/C復合材料。
[0038]本實施例中的C/C受電弓滑條主要通過以下步驟制備而來：
[0039] (1)首先，采用日本東麗公司（Toray)生產的PAN型T700(12K)炭纖維制成網胎、無 煒布。將單層0°無煒布、網胎層、石墨粉(粒度為150微米）、紫銅粉(粒度為75微米）、單層90° 無煒布、網胎層、石墨粉(粒度為150微米）、紫銅粉(粒度為75微米）、單層0°無煒布依次循環 疊加，然后，采用接力式針刺的方法制成密度為1.25g/cm 3的炭纖維預制體。
[0040] (2)采用丙烯為碳源氣體，氫氣為稀釋氣，丙烯與氫氣的體積比為1:3,采用化學氣 相滲透法對預制體在850°C下沉積熱解碳，沉積380小時后制得密度為2.24g/cm3的C/C復合 材料。
[0041] (3)采用設計的石墨工裝將上述切割成的C/C滑條放入真空-壓力浸漬罐中，以呋 喃樹脂為浸漬劑，采用高壓浸漬工藝處理。浸漬前，試樣預熱至70°C，浸漬時，控制浸漬溫度 為60°C、浸漬壓力為2MPa，保壓時間為1.5小時。之后，升溫至200°C，保溫約3小時進行固化。 固化后轉炭化爐進行炭化處理，炭化溫度為850°C。循環浸漬/碳化三次后，制品密度達到 2.47g/cm 3,具體性能見表1〇 [0042] 實施例3:
[0043]采用密度為0.89g/cm3的2.5D炭纖維針刺整體氈為預制體，其中，預制體中包含有 黃銅絲，短黃銅絲的直徑為0.2mm，長度為5mm，質量含量為50 %，石墨粉的質量百分含量為 2%;通過化學氣相滲透工藝制備了密度為1.92g/cm3的C/C復合材料，經過三次樹脂浸漬-炭化工藝，制備了密度為2.21g/cm 3的C/C復合材料。
[0044] 本實施例中的C/C受電弓滑條主要通過以下步驟制備而來：
[0045] (1)首先，采用日本東麗公司（Toray)生產的PAN型T700(12K)炭纖維制成網胎和無 煒布，將單層0°無煒布、網胎層、石墨粉(粒度為38微米）、短銅絲（直徑為0.1mm、長度為 20mm)、單層90°無煒布、網胎層、、石墨粉(粒度為150微米）、短銅絲(直徑為0.1mm、長度為 20mm)、單層0°無煒布依次循環疊加，然后，采用接力式針刺的方法制成密度為0.89g/cm 3的 炭纖維預制體。
[0046] (2)采用丙烯為碳源氣體，氮氣為稀釋氣，丙烯與氮氣的體積比為1:3,