高速鐵路動車組用受電弓滑板復合材料及其制備方法
【專利說明】
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技術領域： 本發(fā)明涉及一種復合材料的制備方法，特別是涉及一種高速鐵路動車組用受電弓滑板 復合材料及其制備方法，屬于復合材料技術領域。
[0002]
【背景技術】： 隨著我國電氣化鐵路的快速發(fā)展，將會有越來越多的高速列車在鐵路網(wǎng)上飛馳。高質 量的受電弓滑板可為機車提供平穩(wěn)、安全的電力供應，是確保機車高效運行的關鍵。受電弓 滑板自出現(xiàn)以來，其發(fā)展經(jīng)歷了金屬滑板、粉末冶金滑板、碳滑板、浸金屬碳滑板等階段。金 屬滑板和粉末冶金滑板的力學強度高、導電性能好，但其對接觸網(wǎng)導線的磨損嚴重、抗電弧 能力弱；碳滑板的自潤滑性和減磨性能好，但是碳滑板的力學強度低、耐沖擊性差，遇導線 硬點容易造成滑板斷裂或者掉塊；浸金屬碳滑板結合了金屬滑板和碳滑板的優(yōu)點：具有粉 末冶金滑板力學強度高、電阻小的特點，同時具有碳滑板對導線磨耗小、抗電弧能力強的特 點。但是浸金屬碳滑板仍然保留了粉末冶金滑板和碳滑板的缺點：例如碳滑板的抗沖擊能 力低、力學強度相對較低，運行中容易出現(xiàn)斷裂和掉塊；粉末冶金滑板對導線的磨耗大、運 行中易與導線發(fā)生粘連。
[0003] 為克服浸金屬碳滑板的缺點，提高滑板材料的性能，降低成本，本領域的研宄人員 加大了對纖維增強復合材料滑板的研宄，例如碳纖維復合材料、碳-金屬纖維復合材料和 碳-銅復合材料。發(fā)明專利（【申請?zhí)枴?7106646.9)"電力機車用碳-碳復合材料受電弓滑 板"公開了一種采用以鍍銅粉末為基體材料，以短碳纖維作為增強劑，用熱固性樹脂作為 粘結劑，采用濕態(tài)或者干態(tài)混合成型的制備受電工滑板的方法。采用該方法，（1)需要對 碳粉末(石墨粉或焦碳粉）進行鍍銅處理，增加了設備投資，且碳粉末表面鍍銅也不均勻，不 利于提高滑板材料的電傳導性能；（2)該制備方法最高只在180°C對坯料進行處理，處理 溫度低，不能充分發(fā)揮碳材料滑板的耐磨和良好的機械性能；（3)該方法生產(chǎn)周期長，成本 較高，批量化生產(chǎn)能力較差。發(fā)明專利（【申請?zhí)枴?01310111822. 2)"一種受電弓滑板用復 合材料及其制備方法"公布了一種受電弓滑板用復合材料的制備方法。該制備方法包括 以下步驟：連續(xù)碳纖維與銅絲構成混合增強體一混合編制體去油活化一在編制體表面沉積 熱解碳一對沉積后的編制體反復浸漬-碳化一得到復合材料受電弓滑板。該方法中，（1) 需要采用連續(xù)碳纖維和銅絲制備增強體，成本高；（2)需要反復進行樹脂浸漬-碳化工藝， 周期長；（3)銅絲在高溫下有可能會融化，不能充分發(fā)揮其導電性能。發(fā)明專利（【申請?zhí)枴?201310308748. 3)"一種用于高速列車受電弓滑板碳/碳-石墨復合材料的制備方法"公布 了一種復合材料滑板制備方法。該方法的具體步驟如下：制備石墨懸濁液一向碳氈中浸漬 石墨懸濁液制備石墨預制體一對石墨預制體反復浸漬碳化一得到碳/碳-石墨復合材料。 該方法中，（1)懸濁液中的石墨顆?；蚴鄄灰捉B入碳氈中，且浸滲入的石墨也存在梯 度分布，造成其分布的不均勻；（2)反復盡心瀝青浸漬碳化，需要特殊的壓力浸漬設備，周 期較長、環(huán)境污染較大。
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【發(fā)明內容】
： 本發(fā)明所要解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術制備中碳-碳復合材料受電弓滑板的導 電性差、周期長、成本高等不足，提供一種短周期、低成本的高速鐵路動車組用受電弓滑板 復合材料及其制備方法。
[0005] 本發(fā)明為解決技術問題所采取的技術方案是： 一種高速鐵路動車組用受電弓滑板復合材料，含有以重量百分比為單位的下列各原 料： 短切碳纖維30~60%，纖維長度2~5mm、直徑7~IOMm; 酚醛樹脂粉20~30%，200~400目； 瀝青焦粉10~20%，300~500目； 鱗片石墨粉10~20%，300~500目； 銅粉1~10%，800~1000目。
[0006] 上面所述高速鐵路動車組用受電弓滑板復合材料的制備方法，其具體步驟如下： (a) 按如下比例稱量原料：短切碳纖維30~60%、酚醛樹脂粉20~30%、瀝青焦粉10~ 20%、鱗片石墨粉10~20%、銅粉1~10%; (b) 將步驟（a)所稱量的原料用行星式球磨機以200~500轉/min的轉速混合2~ 5h，確保原料混合均勻； (c) 將步驟（b)制備的混合物倒入按照受電弓滑板結構、尺寸制作的模壓機模具中壓制 成型； (d) 模壓機壓制時的具體工藝參數(shù)如下：溫度：120~200°C;壓力：1~5MPa;保壓時 間：2~5h; (e) 將步驟（d)制備的受電弓滑板坯體放入馬弗爐中進行預氧化處理；預氧化時，以 1~3°C/min的升溫速率升溫至300~500°C，保溫6~IOh;隨后斷電降溫； (f) 將步驟（e)預氧化處理后的受電弓滑板坯體放入碳化爐中進行碳化；碳化時，以 30~60°C/h的升溫速率升至900~1100 °C后保溫2~5h，然后以20~50°C/h的降溫速 率降至室溫； (g) 將步驟（f)制備出的碳-碳復合材料受電弓滑板坯體放入等溫化學氣相沉積爐 中進行致密化處理；致密化時，在氬氣保護氣氛下以3~5°C/min的升溫速率從室溫升至 1000~1200°C后保溫1~3h，然后關閉氬氣，通入2~5L/min甲烷氣體，沉積50~IOOh 后關閉甲烷氣體，在氬氣保護氣氛下以3~5°C/min的降溫速率降溫至室溫； (h) 將步驟（g)制備出的碳-碳復合材料受電弓滑板放入高溫石墨化處理爐中進行石 墨化處理，處理溫度為2300~2600°C，升溫速率為2~5°C/min，保溫時間為2~5h，然后 以1~:TC/min的降溫速率降溫至室溫，即得到所述的高速鐵路動車組用受電弓滑板復合 材料； (i) )將步驟（h)制備出的高速鐵路動車組用受電弓滑板復合材料進行加工即可得到最 終的碳-碳復合材料受電弓滑板。
[0007] 采用本發(fā)明提供的技術方案所制備的高速鐵路列車碳-碳復合材料受電弓滑板， 不僅周期短、成本低，而且性能指標優(yōu)異，具體詳見下表：

【具體實施方式】： 一種高速鐵路動車組用受電弓滑板復合材料，含有以重量百分比為單位的下列各原 料： 短切碳纖維30~60%，纖維長度2~5mm、直徑7~IOMm; 酚醛樹脂粉20~30%，200~400目； 瀝青焦粉10~20%，300~500目； 鱗片石墨粉10~20%，300~500目； 銅粉1~10%，800~1000目。
[0008] 上面所述高速鐵路動車組用受電弓滑板復合材料的制備方法，其具體步驟如下： (a) 按如下比例稱量原料：短切碳纖維30~60%、酚醛樹脂粉20~30%、瀝青焦粉10~ 20%、鱗片石墨粉10~20%、銅粉1~10% ; (b) 將步驟（a)所稱量的原料用行星式球磨機以200~500轉/min的轉速混合2~ 5h，確保原料混合均勻； (c) 將步驟（b)制備的混合物倒入按照受電弓滑板結構、尺寸制作的模壓機模具中壓制 成型； (d) 模壓機壓制時的具體工藝參數(shù)如下：溫度：120~200°C;壓力：1~5MPa;保壓時 間：2~5h; (e) 將步驟（d)制備的受電弓滑板坯體放入馬弗爐中進行預氧化處理；預氧化時，以 1~3°C/min的升溫速率升溫至300~500°C，保溫6~IOh;隨后斷電降溫； (f) 將步驟（e)預氧化處理后的受電弓滑板坯體放入碳化爐中進行碳化；碳化時，以 30~60°C/h的升溫速率升至900~1100 °C后保溫2~5h，然后以20~50°C/h的降溫速 率降至室溫； (g) 將步驟（f)制備出的碳-碳復合材料受電弓滑板坯體放入等溫化學氣相沉積爐 中進行致密化處理；致密化時，在氬氣保護氣氛下以3~5°C/min的升溫速率從室溫升至 1000~1200°C后保溫1~3h，然后關閉氬氣，通入2~5L/min甲烷氣體，沉積50~IOOh 后關閉甲烷氣體，在氬氣保護氣氛下以3~5°C/min的降溫速率降溫至室溫； (h) 將步驟（g)制備出的碳-碳復合材料受電弓滑板放入高溫石墨化處理爐中進行石 墨化處理，處理溫度為2300~2600°C，升溫速率為2~5°C/min，保溫時間為2~5h，然后 以1~:TC/min的降溫速率降溫至室溫，即得到所述的高速鐵路動車組用受電弓滑板復合 材料； (i) )將步驟（h)制備出的高速鐵路動車組用受電弓滑板復合材料進行加工即可得到最 終的碳-碳復合材料受電弓滑板。
[0009] 將通過下面具體實施例對本發(fā)明作進一步的描述和說明： 實施例1: 一種高速鐵路動車組用受電弓滑板復合材料的制備方法，具體步驟如下： (a) 按如下比例稱量原料：30 %的短切碳纖維(纖維長度2~5mm，直徑7~l〇Mm)，30% 的酚醛樹脂粉（200~400目），20%的瀝青焦粉（300~500目），10%的鱗片石墨粉（300~ 500目），10%的銅粉（800~1000目）； (b) 將步驟（a)稱量的原料用行星式球磨機以200轉/min的轉速混合2h，確保原料混 合均勻； (c) 將步驟（b)制備的混合物倒入按照受電弓滑板結構、尺寸制作的模壓機機模具中壓 制成型； (d) 模壓機壓制時的具體工藝參數(shù)如下：溫度：120°C;壓力：lMPa;保壓時間：2h; (e) 將步驟（d)制備出的受電弓滑板坯體放入馬弗爐中進行預氧化處理；預氧化時，以 1°C/min的升溫速率升溫至300°C，保溫6h，隨后斷電降溫； (f) 將步驟（e)預氧化處理后的受電弓滑板坯體放入碳化爐中進行碳化；碳化時，以 30°C/h的升溫速率升至900°C后保溫2h，以20°C/h的降溫速率降至室溫； (g) 將步驟（f)制備出的碳-碳復合材料受電弓滑板坯體放入等溫化學氣相沉積爐中 進行致密化處理；致密化時，在氬氣保護氣氛下以3°C/min的升溫速率從室溫升至1000°C 后保溫lh，然后關閉氬氣，通入2L/min甲烷氣體，沉積50h后關閉甲烷氣體，在氬氣保護氣 氛下以3°C/min的降溫速率降溫至室溫； (h) 將步驟（g)制備出的碳-碳復合材料受電弓滑板放入高溫石墨化處理爐中進行石 墨化處理，處理溫度為2300 °C，升溫速率為2°C/min，保溫時間為2h，然后以1°C/min的降 溫速率降溫至室溫，即得到高速鐵路動車組用受電弓滑板復合材料； (i) )將步驟（h)制備出的高速鐵路動車組用受電弓滑板復合材料進行加工即可得到最 終的碳-碳復合材料受電弓滑板。
[0010] 對實施例1所制備出的碳-碳復合材料受電弓滑板的性能進行測試，結果如下： 密度1.73g/cm3;電阻率18. 5l^*m，沖擊韌性0. 52J/cm2;壓縮強度124MPa;彎曲強度 82. 5MPa;滑板質量磨耗比I. 18X10_2g/km;對接觸線磨耗比I. 43X10_6mm2/次。