一種低粘結電阻的c/c復合材料滑板的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板，屬于電力機車用材料技術領域。本實用新型所設計的滑板包括C/C復合材料層2、第一金屬網層4、金屬托架5；所述C/C復合材料層2由上層結構1和下層結構3組成；所述下層結構3內均勻鑲嵌有金屬網6；所述第一金屬網層4位于C/C復合材料層2的下層結構3與金屬托架5之間，并與C/C復合材料層2、金屬托架5構成一個整體。本實用新型結構設計合理，便于大規模的工業化應用和生產。
【專利說明】
一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板，屬于電力機車用材料技術領域。
【背景技術】
[0002]電力牽引的高速列車是通過受電弓上的碳滑板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，從而提供給高速列車動力，維持機車正常運行的。
[0003]碳滑板是由碳滑條和鋁托架通過導電膠粘結起來。導電膠所在的粘結層具有電阻，稱之為粘結電阻。粘結電阻的大小直接影響粘結處的溫度。具體來說，當大電流通過碳滑板時，粘結電阻大，粘結層處的溫度高。溫度升高，易引起導電膠的老化，嚴重時，會引起導電膠失效或開裂，威脅行車安全。
[0004]目前，大多數碳滑板生產采用導電膠直接將碳滑條與鋁托架粘結起來。這樣做引起粘結電阻增大。此外，因導電膠由金屬粉末和膠配置而成，兩者密度差異大，金屬粉末不能均勻分散在膠中，導致粘結時粘結電阻波動范圍大。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型針對已有C/C復合材料滑板存在粘結電阻大，且波動范圍大等不足，提供一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板。
[0006]本實用新型一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板;包括C/C復合材料層(2)、第一金屬網層(4)、金屬托架(5);所述C/C復合材料層(2)由上層結構(I)和下層結構(3)組成;所述下層結構(3)內均勻鑲嵌有金屬網(6);所述第一金屬網層(4)位于C/C復合材料層(2)的下層結構(3)與金屬托架(5)之間，并與C/C復合材料層(2)、金屬托架(5)構成一個整體。
[0007]本實用新型一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板;所述C/C復合材料層(2)中金屬網(6)所占的質量百分數為5-30%。優選為10-30%、進一步優選為15-25%。
[0008]本實用新型一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板;所述金屬網(6)選自銅網、銀網中的一種，優選為銅網。
[0009]本實用新型一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板;所述第一金屬網層(4)選自鋁網、銅網、銀網中的一種，優選為銅網。所述第一金屬網層(4)的網孔尺寸為0.1-1_。所述第一金屬網層(4)的厚度為0.2-0.6mm。
[0010]本實用新型一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板;所述金屬托架(5)為鋁托架。
[0011]本實用新型所設計的一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板，其制備方法包括下述步驟:
[0012]步驟一C/C復合材料層的制備
[0013]設計下層結構(3)，所述下層結構由0°無瑋炭布，碳纖維網胎、金屬網、90°無瑋炭布、碳纖維網胎、金屬網、0°無瑋炭布依次循環疊加；
[0014]設計上層結構(I)，所述上層結構由單層0°無瑋炭布，碳纖維網胎、90°無瑋炭布、碳纖維網胎、0°無瑋炭布依次循環疊加；
[0015]采用接力式針刺的方法在垂直于鋪層方向引入金屬絲或碳纖維，將上下兩層編織成一個整體，得到碳纖維預制體;然后對碳纖維預制體進行化學氣相沉積熱解碳和樹脂浸漬-炭化處理，得到致密的C/C復合材料;所述C/C復合材料中金屬網和金屬絲的質量之和占C/C復合材料質量的5-30% ;
[0016]步驟二
[0017]將金屬托架(5)、第一金屬網層(4)、C/C復合材料按C/C復合材料下層結構/第一金屬網層(4)/金屬托架(5)的方式用導電膠進行膠粘后，加熱固化，得到低粘結電阻的C/C復合材料滑板。
[0018]本實用新型所設計的一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板，其制備方法的步驟一中所述碳纖維預制體的平均密度為0.4-0.8g/cm3。
[0019]本實用新型所設計的一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板，其制備方法的碳纖維預制體經化學氣相沉積熱解碳和樹脂浸漬-炭化處理，得到平均密度為1.8-2.3g/cm3的C/C復合材料。所述C/C復合材料作為本實用新型中的C/C復合材料層使用。
[0020]本本實用新型所設計的一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板，其制備方法的步驟二中，粘接前，金屬托架(5)預與第一金屬網層(4)的接觸面的粗糙度為Ral2.5-Ra50。在實際操作過程中，通過噴砂實現對其粗糙度的控制。
[0021]本實用新型所設計的一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板，其制備方法的步驟二中，先在金屬托架(5)與第一金屬網層(4)的接觸面上刷涂導電膠，然后放置第一金屬網層
(4)，再次刷涂導電膠，至第一金屬網層的網格中填滿導電膠，得到帶有導電膠和第一金屬網層的金屬托架;接著將C/C復合材料與第一金屬網層(4)的接觸面上均勻涂上導電膠，得到帶有導電膠的C/C復合材料，將帶有導電膠和第一金屬網層的金屬托架、帶有導電膠的C/C復合材料按照C/C復合材料下層結構/第一金屬網層(4)/金屬托架(5)的方式對接后，施加壓力，升溫固化導電膠，得到低粘結電阻的C/C復合材料滑板。
[0022]本實用新型所設計的一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板，其制備方法的步驟一中所述金屬網選自銅網、銀網中的一種，優選為銅網。
[0023]本實用新型所設計的一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板，其制備方法的步驟一中所述金屬線選自銅線、銀線中的一種，優選為銅線。
[0024]本實用新型所設計的一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板，其制備方法的步驟一中，所述化學氣相沉積熱解碳是:
[0025]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1-1.5:3-4；于830-880°C，采用化學氣相滲透法對預制體進行沉積熱解碳處理200-500小時。
[0026]本實用新型所設計的一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板，其制備方法中所述樹脂浸漬-炭化處理是:將沉積有熱解碳的預制體置于浸漬罐中，以呋喃樹脂為浸漬劑，控制浸漬溫度為50-700C、優選為55-65 °C，浸漬壓力為l_3MPa、優選為1.5-2.5MPa、進一步優選為2MPa，保壓1-3小時、優選為1.5-2小時后，取出，升溫至200-220°C，保溫2-4小時進行固化；固化后，在炭化爐進行炭化處理，炭化溫度為850 V、氣氛為氮氣或氬氣。在工業化應用時，可重復樹脂浸漬-炭化處理直至達到設定密度。
[0027]原理和優勢
[0028](I)將C/C復合材料的粘結層設計為含有金屬網(如銅網)的結構，利用金屬網本身電阻小，且網格分布均勻的特點，保證粘結電阻小，且粘結電阻波動范圍小。
[0029](2)通過雙層結構的優化設計，C/C復合材料滑板的粘結電阻小，進而接通大電流時，溫度升高小，導電膠不易老化，產品更加安全可靠。
[0030](3)C/C復合材料可設計性強，在不增加粘結工序的情況下，通過預制體結構設計，實現了降低粘結電阻的目的。
[0031]總之，本實用新型通過結構的改進得到粘結電阻穩定且數值低、力學性能優越的C/C復合材料滑板。
【附圖說明】
[0032]圖1為本實用新型所設計C/C復合材料滑板的結構示意圖；
[0033]圖2為實施例1-4以及對比例所得樣品的粘接電阻測試值。
[0034]圖1中，2為C/C復合材料層、I為C/C復合材料層的上層結構、3為C/C復合材料層的下層結構、4為第一金屬網層、5為金屬托架、6為金屬網；從圖1可以看出本實用新型所設計的滑板包括C/C復合材料層2、第一金屬網層4、金屬托架5;所述C/C復合材料層2由上層結構I和下層結構3組成;所述下層結構3內均勻鑲嵌有金屬網6;所述第一金屬網層4位于C/C復合材料層2的下層結構3與金屬托架5之間，并與C/C復合材料層2、金屬托架5構成一個整體。
[0035]從圖2可以看出各個樣品的粘結電阻情況。對比例以及實施例進行了18個測試點的測試，對比例I所得測試值波動較大，實施例尤其是實施例2、實施例3測試值很穩定，且所測值也比較小。由此可以看出本實用新型所設計的結構有利于穩定且降低產品的粘結電阻。
【具體實施方式】
[0036]對比例I:采用密度為0.35g/cm3的2.5D碳纖維針刺整體氈為預制體，通過化學氣相滲透工藝制備了密度為1.53g/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I.75g/cm3的C/C復合材料，通過粘結組裝了碳滑板，其粘結電阻為0.02?0.08m Ω。
[0037]按照圖1所設計的結構進行下述實施例。
[0038]實施例1:
[0039]碳纖維預制體的下層結構銅網，質量含量為50%，上層結構碳纖維預制體的密度為0.35g/cm3，經過化學氣相滲透和樹脂浸漬-炭化工藝制備了 C/C復合材料，通過粘結組裝了C/C復合材料滑板。沿著碳滑板長度方向，每隔50mm測試一次，記錄粘結電阻數據，粘結電阻為0.01?0.0511^(粘結電阻測試方法參見17/(^328-2014動車組碳滑板暫行技術條件)。粘結電阻數據圖見圖1
[0040]本實施例中的C/C復合材料滑板主要通過以下步驟制備而來:
[0041](I)首先，采用日本東麗公司(Toray)生產的PAN型T700(12K)碳纖維制成網胎、無瑋布。對于下層結構，將0°無瑋炭布，碳纖維網胎、銅網、90°無瑋炭布、碳纖維網胎、銅網、0°無瑋炭布依次循環疊加;對于上層結構，將0°無瑋炭布，碳纖維網胎、90°無瑋炭布、碳纖維網胎、0°無瑋炭布依次循環疊加。采用接力式針刺的方法在垂直于鋪層方向引入銅絲或碳纖維，將上下兩層編織成一個整體。下層結構中銅網質量含量為50%，上層結構中碳纖維預制體的密度為0.35g/cm3o
[0042](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，隨后將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。取出，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。循環兩次使C/C復合材料致密化。所述金屬網的質量占C/C復合材料總質量的5%。
[0043](3)將C/C復合材料含有金屬銅網的下層結構作為粘結面進行銑加工，對鋁合金型材噴砂至其表面粗糙度為Ra20?Ra30。
[0044](4)在鋁合金型材上刷涂導電膠，放置銅網，再次刷涂導電膠，確保銅網格中填滿導電膠。在C/C復合材料含有金屬銅的粘結面上刷涂導電膠后，放置在銅網上，施加力后升溫至120-160°C固化膠水。導電膠由環氧樹脂和銅粉按現有常規導電膠的比例組成。
[0045]實施例2:
[0046]碳纖維預制體的下層結構銅網質量含量為82%，上層結構碳纖維預制體的密度為
0.35g/cm3，經過化學氣相滲透和樹脂浸漬-炭化工藝制備了 C/C復合材料，通過粘結組裝了C/C復合材料滑板。沿著碳滑板長度方向，每隔50_測試一次，記錄粘結電阻數據，粘結電阻為0.004?0.008m Ω (粘結電阻測試方法參見TJ/CL328-2014動車組碳滑板暫行技術條件)。
[0047]本實施例中的C/C復合材料滑板主要通過以下步驟制備而來:
[0048](I)首先，采用日本東麗公司(Toray)生產的PAN型T700(12K)碳纖維制成網胎、無瑋布。對于下層結構，將0°無瑋炭布，碳纖維網胎、銅網、90°無瑋炭布、碳纖維網胎、銅網、0°無瑋炭布依次循環疊加;對于上層結構，將0°無瑋炭布，碳纖維網胎、90°無瑋炭布、碳纖維網胎、0°無瑋炭布依次循環疊加。采用接力式針刺的方法在垂直于鋪層方向引入銅絲或碳纖維，將上下兩層編織成一個整體。下層結構中銅網質量含量為82%，上層結構中碳纖維預制體的密度為0.35g/cm3o
[0049](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，隨后將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。循環兩次使C/C復合材料致密化。所述金屬網的質量占C/C復合材料總質量的15 %。
[0050](3)將C/C復合材料含有金屬銅網的下層結構作為粘結面進行銑加工，對鋁合金型材噴砂至其表面粗糙度為Ral 2.5?Ra20。
[0051](4)在鋁合金型材上刷涂導電膠，放置銅網，再次刷涂導電膠，確保銅網格中填滿導電膠。在C/C復合材料含有金屬銅的粘結面上刷涂導電膠后，放置在銅網上，施加力后升溫至120-160°c固化膠水。導電膠由環氧樹脂和銅粉按現有常規導電膠的比例組成。
[0052]實施例3:
[0053]碳纖維預制體的下層結構銅網質量含量為92%，上層結構碳纖維預制體的密度為
0.35g/cm3，經過化學氣相滲透和樹脂浸漬-炭化工藝制備了 C/C復合材料，通過粘結組裝了碳滑板，通過粘結組裝了C/C復合材料滑板。沿著碳滑板長度方向，每隔50mm測試一次，記錄粘結電阻數據，粘結電阻為0.002?0.005mΩ (粘結電阻測試方法參見TJ/CL328-2014動車組碳滑板暫行技術條件)。
[0054]本實施例中的C/C復合材料滑板主要通過以下步驟制備而來:
[0055](I)首先，采用日本東麗公司(Toray)生產的PAN型T700(12K)碳纖維制成網胎、無瑋布。對于下層結構，將0°無瑋炭布，碳纖維網胎、銅網、90°無瑋炭布、碳纖維網胎、銅網、0°無瑋炭布依次循環疊加;對于上層結構，將0°無瑋炭布，碳纖維網胎、90°無瑋炭布、碳纖維網胎、0°無瑋炭布依次循環疊加。采用接力式針刺的方法在垂直于鋪層方向引入銅絲或碳纖維，將上下兩層編制成一個整體。下層結構中銅網質量含量為92%，上層結構中碳纖維預制體的密度為0.35g/cm3o
[0056](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，隨后將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。循環兩次使C/C復合材料致密化。所述金屬網的質量占C/C復合材料總質量的23%。
[0057](3)將C/C復合材料含有金屬銅網的下層結構作為粘結面進行銑加工，對鋁合金型材噴砂至其表面粗糙度為Ra35?Ra50。
[0058](4)在鋁合金型材上刷涂導電膠，放置銅網，再次刷涂導電膠，確保銅網格中填滿導電膠。在C/C復合材料含有金屬銅的粘結面上刷涂導電膠后，放置在銅網上，施加力后升溫至120-160°c固化膠水。導電膠由環氧樹脂和銅粉按現有常規導電膠的比例組成。
【主權項】
1.一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板;其特征在于:包括C/C復合材料層(2)、第一金屬網層(4)、金屬托架(5);所述C/C復合材料層(2)由上層結構(I)和下層結構(3)組成;所述下層結構(3)內均勻鑲嵌有金屬網(6);所述第一金屬網層(4)位于C/C復合材料層(2)的下層結構(3)與金屬托架(5)之間，并與C/C復合材料層(2)、金屬托架(5)構成一個整體。2.根據權利要求1所述的一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板;其特征在于:所述金屬網(6)為金屬網選自銅網、銀網中的一種。3.根據權利要求1所述的一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板;其特征在于:所述第一金屬網層(4)選自鋁網、銅網、銀網中的一種。4.根據權利要求1所述的一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板;其特征在于:所述第一金屬網層(4)的網孔尺寸為0.1-1mm;所述第一金屬網層(4)的厚度為0.2-0.6_。5.根據權利要求1所述的一種低粘結電阻的C/C復合材料滑板;其特征在于:所述金屬托架(5)為鋁托架。
【文檔編號】B60L5/20GK205601624SQ201620227286
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年3月23日
【發明人】肖鵬, 方華嬋
【申請人】中南大學