一种金属型c/c复合材料碳滑条的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种金属型C/C复合材料碳滑条的制备方法，属于电力机车用材料制 备技术领域。
【背景技术】
[0002] 电力牵引的高速列车是通过受电弓碳滑板上的碳滑条与接触网导线摩擦接触，将 电网上的电流传输给机车电力系统，从而供给高速列车动力，维持机车正常运行的。
[0003] 目前，广泛使用的碳滑条除纯碳材料外，还有一种浸金属型碳滑条。浸金属碳滑条 比纯碳滑条的工况更为苛刻，应具有更低的电阻率，动车组碳滑板暂行技术条件TJ/CL328-2014规定其电阻率应<12μΩ ·πι。
[0004] 碳滑板在使用过程中，通过的电流高达500Α，会出现发热的现象。当滑板温度过高 时，会造成粘结面开裂，滑板不能有效将电流传递给电力机车，严重时，碳滑条直接从滑板 上脱落，刮坏网线，严重威胁行车安全。因此，优异的碳滑条应具有高的热容量。
[0005] 为确保电力机车的安全和可靠，金属型碳滑条应具备低电阻率、高热容量和低成 本。目前，专利申请号02138492.4"电力机车受电弓用碳纤维增强碳滑板及其制造方法"公 开了一种以石墨、铜粉为填料，短碳纤维为增强材料，采用模压工艺生产碳滑条的方法，材 料的电阻率偏高，为8~12.8μ Ω · 1200910046875.4"网状烧结碳-铜复合材料受电弓滑板 及其制造方法"将铜粉、石墨粉、钛粉等与树脂混合，涂覆于碳纤维布上，经热压固化、烧结 等工序制备了碳滑条，其电阻率为9.6~18.8μΩ · m。专利申请号201310111822.2"一种受 电弓滑板用复合材料及其制备方法"公开了一种采用碳纤维与铜丝的三维编织体，经化学 气相沉积和树脂浸渍-碳化工艺制备的碳滑条，电阻率为5.7~8.1μ Ω · m。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是针对现有金属型碳纤维滑板电阻率大、工艺成本高 的问题，提供一种便于工业化应用的、低电阻率的、低成本的、高热容量的金属型C/C复合材 料碳滑条的制备方法。
[0007] 本发明一种金属型C/C复合材料碳滑条的制备方法，包括下述步骤：
[0008] 步骤一
[0009] 将单层0°无炜炭布，炭纤维网胎、石墨粉、铜材、单层90°无炜炭布、炭纤维网胎、石 墨粉、铜材、单层〇°无炜炭布依次循环叠加后，采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引 入炭纤维束制成密度为0.6~2.6g/cm 3的2.5D炭纤维针刺整体毡;所述铜材选自铜粉、铜 网、短铜丝中的一种，所述2.f5D炭纤维针刺整体毡中，石墨粉的质量百分含量为1%~10%; 铜材的质量百分含量为20-90%、优选为25-75%，进一步优选为50-75% ;
[0010] 步骤二
[0011]以步骤一所得2.5D炭纤维针刺整体毡为框架，对框架进行化学气相沉积热解碳处 理;得到〇/(：-(：11复合材料;所述0/(：-(：11复合材料的密度为框架密度的1.5-2.2倍、优选为 1.5-1.8倍，进一步优选为1.5-1.6倍；
[0012] 步骤三
[0013] 按设计滑条的尺寸，对步骤二所得C/C-Cu复合材料进行机械加工，并预留加工余 量后进行聚合物浸渍-炭化处理，得到成品;所述成品密度为步骤二所的C/C-Cu复合材料密 度的1.02-1.15倍、优选为1.04-1.12倍，进一步优选为1.10-1.12倍。
[0014] 本发明步骤一中，所使用的石墨粉为鳞片石墨或颗粒石墨，所述石墨粉的粒度小 于等于150微米，优选为38-150微米、进一步优选为50-150微米。
[0015]本发明步骤一中，所使用的铜粉为紫铜粉、铜合金粉，粒度为100~325目，所使用 铜网的目数为20~100目、铜网所用丝的直径为0.05~0.2mm、铜网的材质选自紫铜、磷青 铜、黄铜中的一种，所使用短铜丝的直径为〇. 05~0.2mm，长度为2~20mm，短铜丝的材质选 自紫铜、磷青铜、黄铜中的一种。
[0016]本发明步骤二中，化学气相沉积热解碳处理的条件参数为：
[0017]碳源气体选自丙烯、天然气、甲烷中的至少一种；
[0018] 稀释气体选自氮气、氢气中的至少一种；
[0019] 碳源气体和稀释气体的体积比为08. -1.2:2.8-3.2、优选为1:3。
[0020] 本发明步骤三中，聚合物浸渍-炭化处理所用聚合物浸渍液为树脂溶液。优选为沥 青和呋喃树脂组成的混合溶液或呋喃树脂溶液。
[0021] 本发明步骤三中，按设计滑条的尺寸，对步骤二所得C/C-Cu复合材料进行机械加 工，并预留加工余量后，置于40-80°C、优选为50-70°C、进一步优选为55-65°C的聚合物浸渍 液中，采用加压浸渍的方式浸渍处理1-3小时后，升温至180-210°C进行固化处理2.5-3.5小 时；固化完成后进行碳化处理，碳化处理时，控制温度为830-880°C，单次碳化处理的时间为 40-60小时;按浸渍/固化/碳化处理的方式循环操作直至得到得到成品。
[0022]本发明步骤三中，采用加压浸渍时，控制浸渍压力为l_3MPa。
[0023] 原理和优势
[0024] (1)本发明通过适量的各种原材料和制备工艺的协同作用，取得意想不到的结果， 尤其是在所制备材料，在铜含量相当的情况下，其电阻率较现有材料有显著下降。
[0025] (2)本发明采用工艺简单，工艺成本低，能显著提高产品的竞争力，便于工业化生 产。
[0026] 具体实施
[0027]对比例1:专利申请号201310111822.2"一种受电弓滑板用复合材料及其制备方 法"制备了铜丝质量含量为25%，坯体密度为l.Og/cm3的毡体，通过化学气相沉积和浸渍-碳化处理，获得最终密度为1.96g/cm3的样品，其电阻率为5.67μ Ω · m，见表1。
[0028] 对比例2:
[0029]采用密度为0.56g/cm3的2.5D炭纤维针刺整体毡为预制体，通过化学气相渗透工 艺和树脂浸渍-炭化工艺制备的密度为1.74g/cm3的C/C复合材料，具体性能见表1。
[0030] 实施例1:
[0031] 采用铜丝直径为0.12mm，目数为40目，质量含量为23%的紫铜网、石墨粉(质量百 分含量为10 %)、碳纤维，制成密度为〇. 94g/cm3的2.5D炭纤维针刺整体毡，通过化学气相渗 透工艺制备了密度为1.72g/cm3的C/C复合材料，经过两次树脂浸渍-炭化工艺，制备了密度 为1.96g/cm3的C/C复合材料。
[0032]本实施例中的C/C受电弓滑条主要通过以下步骤制备而来：
[0033] (1)首先，采用日本东丽公司（Toray)生产的PAN型T700(12K)炭纤维制成网胎和无 炜布，将单层0°无炜布、网胎层、石墨粉(粒度为100微米）、紫铜网、单层90°无炜布、网胎层、 石墨粉(粒度为100微米）、紫铜网、单层0°无炜布依次循环叠加，然后，采用接力式针刺的方 法制成密度为0.94g/cm 3的炭纤维预制体。
[0034] (2)采用丙烯为碳源气体，氮气为稀释气，丙烯与氮气的体积比为1:3,采用化学气 相渗透法对预制体在850°C下沉积热解碳，沉积320小时后制得密度为1.78g/cm3的C/C复合 材料。
[0035] (3)采用设计的石墨工装将上述切割成的C/C滑条放入真空-压力浸渍罐中，以呋 喃树脂为浸渍剂，采用高压浸渍工艺处理。浸渍前，试样应先预热，浸渍温度为60°C，浸渍压 力为2MPa，保压时间为1.5小时。之后，升温至200°C，保温约3小时进行固化。固化后转炭化 炉进行炭化处理，炭化温度为850°C。循环两次后，制品密度达到1.96g/cm 3，具体性能见表 1〇
[0036] 实施例2:
[0037]采用密度为1.25g/cm3的2.5D炭纤维针刺整体毡为预制体，其中，预制体中包含有 铜粉，铜粉为-200目电解紫铜粉，质量含量为71%;石墨粉的质量百分含量为5%。通过化学 气相渗透工艺制备了密度为2.24g/cm 3的C/C复合材料，经过三次树脂浸渍-炭化工艺，制备 了密度为2 · 47g/cm3的C/C复合材料。
[0038]本实施例中的C/C受电弓滑条主要通过以下步骤制备而来：
[0039] (1)首先，采用日本东丽公司（Toray)生产的PAN型T700(12K)炭纤维制成网胎、无 炜布。将单层0°无炜布、网胎层、石墨粉(粒度为150微米）、紫铜粉(粒度为75微米）、单层90° 无炜布、网胎层、石墨粉(粒度为150微米）、紫铜粉(粒度为75微米）、单层0°无炜布依次循环 叠加，然后，采用接力式针刺的方法制成密度为1.25g/cm 3的炭纤维预制体。
[0040] (2)采用丙烯为碳源气体，氢气为稀释气，丙烯与氢气的体积比为1:3,采用化学气 相渗透法对预制体在850°C下沉积热解碳，沉积380小时后制得密度为2.24g/cm3的C/C复合 材料。
[0041] (3)采用设计的石墨工装将上述切割成的C/C滑条放入真空-压力浸渍罐中，以呋 喃树脂为浸渍剂，采用高压浸渍工艺处理。浸渍前，试样预热至70°C，浸渍时，控制浸渍温度 为60°C、浸渍压力为2MPa，保压时间为1.5小时。之后，升温至200°C，保温约3小时进行固化。 固化后转炭化炉进行炭化处理，炭化温度为850°C。循环浸渍/碳化三次后，制品密度达到 2.47g/cm 3,具体性能见表1〇 [0042] 实施例3:
[0043]采用密度为0.89g/cm3的2.5D炭纤维针刺整体毡为预制体，其中，预制体中包含有 黄铜丝，短黄铜丝的直径为0.2mm，长度为5mm，质量含量为50 %，石墨粉的质量百分含量为 2%;通过化学气相渗透工艺制备了密度为1.92g/cm3的C/C复合材料，经过三次树脂浸渍-炭化工艺，制备了密度为2.21g/cm 3的C/C复合材料。
[0044] 本实施例中的C/C受电弓滑条主要通过以下步骤制备而来：
[0045] (1)首先，采用日本东丽公司（Toray)生产的PAN型T700(12K)炭纤维制成网胎和无 炜布，将单层0°无炜布、网胎层、石墨粉(粒度为38微米）、短铜丝（直径为0.1mm、长度为 20mm)、单层90°无炜布、网胎层、、石墨粉(粒度为150微米）、短铜丝(直径为0.1mm、长度为 20mm)、单层0°无炜布依次循环叠加，然后，采用接力式针刺的方法制成密度为0.89g/cm 3的 炭纤维预制体。
[0046] (2)采用丙烯为碳源气体，氮气为稀释气，丙烯与氮气的体积比为1:3,