专利名称：受流器滑块用炭基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种适于导电轨受电的地铁和轻轨的车辆受流器滑块用炭基复 合材料及其制备方法，属于炭基复合材料技术领域。(二)
背景技术：
城市轨道车辆受电方式有两种架空接触网和导电轨。导电轨受电系统因 其易于安装、检修方便、寿命长、环境影响小，正在受到越来越广泛的重视和 应用。受流器滑块是导电轨受电系统的关键集电元件，长期与导电轨道滑动接 触，所以要求滑块材料不仅具有良好的导电性能，还要有较高的机械强度，较 小的摩擦系数，此外针对其更换频繁，使用率高的特点，该滑块材料还应具有 简单的成型工艺和低廉的成本。早期使用的受流器滑块为黄铜材料，导电轨为低碳钢轨，如北京、天津早 期的地铁。黄铜材料的特性是导电性好，对导电轨磨耗小，但是自身耐磨性较 差，该滑块使用寿命不超过3个月，2个车辆段每年仅此项开支就要超过100万元。 新建设的线路多采用高导电性的钢铝复合轨(如正在建设中的北京地铁五号线、 四号线，广州地铁四号线、五号线及天津地铁一号线)，而目前专门用于钢铝 复合轨的受流器滑块炭基复合材料未见相关报道。与导电轨受电相关的技术有公开号为CN2598823，名称为"受流器接触板"的专利，为解决导电轨和接触板自身磨损问题，设计了一个开有螺杆安装 孔中部固装石墨滑块的支承体，该发明与原铜质滑块相比导电性好，耐磨性提 高，但该发明使用的滑块材料为纯石墨制品，机械强度较差，使用中易出现断裂、掉块现象；公开号为CN1932067，名称为"一种铜基石墨与锆粉末冶金复 合材料及其制备方法和用途"的发明专利，公开了一种用于磁浮列车受流器受 电靴滑块的粉末冶金复合材料制备方法，即将基体铜与锆粉先烧结成形后粉碎， 再与其它添加剂经过初压、烧结、复压后制得复合材料，该方法制备的复合材料有较高的机械强度和良好的导电性能，但摩擦系数偏大。目前涉及接触网受电弓滑板材料制备技术的文献和专利较多。公知的受电 弓滑板材料制备方法主要有纯金属滑板、粉末冶金滑板、纯炭滑板及浸金属炭 滑板，以上方法制备的滑板材料综合性能不是很好。为了进一步提高受电弓滑板材料综合性能，公开号CN1178745，名称为"电力机车用碳-碳复合材料受电 弓滑板"的专利，提出了一种电力机车用炭-炭复合材料受电弓滑板材料制备方 法以镀铜炭粉为基体，短炭纤维为增强剂，热固性树脂为粘结剂，湿态或干 态混合后冷压或热压成型，该发明制备的受电弓滑板有良好的导电性能；公开 号CN1719549，名称为"混杂纤维增强复合材料受电弓滑板及其制备方法"的 专利，提出了一种混杂纤维增强复合材料受电弓滑板制备方法以金属网和混 杂纤维增强复合材料为基材并使之相互层间分布，该发明制备的受电弓滑板有 良好的机械性能、导电性能，磨耗也较小；公开号CN1793408，名称为"一种 电力机车受电弓滑板材料及其制备方法"的专利，提出了一种电力机车受电弓 滑板材料制备方法以铜为基体，镀铜炭材料为减摩剂，镀铜炭纤维为增强剂, 铅、铁、络、镧金属粉为添加剂，将所有组分混合模压成型后烧结，该发明制 备的受电弓滑板综合性能较好。上述受电弓滑板材料制备方法都是建立在接触 网受电基础上，这种受电方式下与受电弓滑板形成摩擦副的是铜接触网，而采 用导电轨受电的轨道车辆，与受流器滑块形成摩擦副的是钢铝复合轨。显然由 于受电方式不同，摩擦副材料不同，上述受电弓滑板材料不适合直接用作受流 器滑块材料。
发明内容
本发明的目的是针对上述受流器滑块材料的不足，提出一种新型受流器滑 块用炭基复合材料及其制备方法。本发明的技术方案如下以石墨、焦炭中的一种或该两者的混合物作为基 体，基体占总组分质量百分比为40% 60%;以短切炭纤维为增强剂，其占总 组分质量百分比为1% 5%;自固化酚醛树脂为粘结剂，其占总组分质量百分 比为15 30%;铜粉、铜纤维中的一种或两者的混合物作为导电组分，导电组 分占总组分质量百分比为5 30%。将上述基体、增强剂、粘结剂充分混合后， 加入铜粉、铜纤维中的至少一种进行粗分散，再经热压成型制得具有金属导电 网络结构的受流器滑块用炭基复合材料，热压成型后的制品也可以进行烧结处理。铜具有优良的导电性能，使用铜粉和铜纤维的目的在于提高滑块材料的导电性能，本发明使用的铜粉粒径小于200目，铜纤维长度2 6mm，直径0.05 0.5mm;炭材料具有良好的减磨、耐磨性能，本发明使用的石墨、焦炭粒径小 于150目；本发明使用的短切炭纤维可以是聚丙烯腈基炭纤维、沥青基炭纤维或 石墨炭纤维，直径5 7inm。上述受流器滑块用炭基复合材料制备方法包括以下几个步骤(1) 预烘工序将石墨、焦炭粉松开，置烘箱内干燥处理，以除去颗粒上吸附的水分。烘干温度10(TC，烘干时间2 4小时。(2) 混料工序先将短切炭纤维，自固化酚醛树脂，石墨、焦炭中的一种或该两者的混合物充分混合，再加入铜粉、铜纤维中的一种或两者的混合物进行粗分散，分散时间以1 10分钟为宜。(3) 压制工序受流器滑块用炭基复合材料采用热压法成型。将混合好的 物料放入模具中，加压加热直至固化。成型压力30 100MPa，成型温度160 200°C，成型时间0.5 2小时。(4) 后处理工序热压成型后的制品也可以用高真空碳管炉在真空环境下 进行烧结处理。烧结时间100小时，烧结温度800 95(TC。其中，按照上述步骤(2)混料后，再采用步骤(3)中热压法成型后的制 品具有金属导电网络结构。本发明的优点及功效在于用该制备方法制备的受流器滑块用炭基复合材 料，具有金属导电网络结构，能有效地提高材料的导电性能；石墨既作为基体， 又起到减摩作用，制备的滑块材料摩擦系数小；短切炭纤维作为增强剂，保证 了材料有足够的机械强度。同时本发明制备工艺简单，成本低廉，适于进行大 批量生产。
图l为本发明受流器滑块用炭基复合材料组织结构图。 图2为本发明受流器滑块用炭基复合材料主要性能指标。
图3为本发明受流器滑块用炭基复合材料制备方法流程图。单位说明°C : 摄氏度MPa: 兆帕g/cm3: 克/立方厘米Q-m: 欧-米|Lim: 微米mm: 毫米 具体实施例方式本发明一种受流器滑块用炭基复合材料制备方法包括以下几个步骤(1) 预烘工序将石墨、焦炭粉松开，置烘箱内干燥处理，以除去颗粒上 吸附的水分。烘干温度100。C，烘干时间2 4小时。(2) 混料工序先将短切炭纤维，自固化酚醛树脂，石墨、焦炭中的一种 或该两者的混合物充分混合，再加入铜粉、铜纤维中的一种或两者的混合物进 行粗分散，分散时间以1 10分钟为宜。(3) 压制工序受流器滑块用炭基复合材料采用热压法成型。将混合好的物料放入模具中，加压加热直至固化。成型压力30 100MPa,成型温度160 200°C，成型时间0.5 2小时。(4) 后处理工序热压成型后的制品也可以用高真空碳管炉在真空环境下 进行烧结处理。烧结时间100小时，烧结温度800 950'C。下面结合几个具体实例进一步说明本发明的技术方案。 实施例l:受流器滑块用炭基复合材料中石墨5%，焦炭粉45%,置干燥箱内100'C干 燥处理2小时后，加入炭纤维3%，自固化酚醛树脂27%，充分混合，再加入铜 粉5%，铜纤维15°/。进行分散，分散时间5分钟。将分散好的物料放入模具中， 加压加热直至固化，压力50MPa，温度20(TC，成型时间0.5小时。制得的滑块 材料密度2.08g/cm3，电阻率9.6xlO-6Q.m，弯曲强度68MPa，摩擦系数0.13。实施例2:受流器滑块用炭基复合材料中石墨15%，焦炭粉45%，置干燥箱内10(TC干
燥处理2小时后，加入炭纤维5%，自固化酚醛树脂15%，充分混合，再加入铜 粉20%，进行分散，分散时间8分钟。将分散好的物料放入模具中，加压加热直 至固化，压力80MPa，温度17(TC，成型时间l小时。制得的滑块材料密度 2.23g/cm3，电阻率4.5xlO-6Q.m，弯曲强度75MPa，摩擦系数0.08。 实施例3:受流器滑块用炭基复合材料中石墨15%，焦炭粉45%，置干燥箱内100'C干 燥处理2小时后，加入炭纤维5%，自固化酚醛树脂15%，充分混合，再加入铜 粉10%，铜纤维10%，进行分散，分散时间3分钟。将分散好的物料放入模具中， 加压加热直至固化，压力80MPa，温度170'C，成型时间l小时。热压成型后的 制品用高真空碳管炉在真空环境下进行烧结处理，烧结时间100小时，烧结温度 800°C。制得的滑块材料密度2.02g/cm3，电阻率1.5xlO-6Q'm，弯曲强度60MPa， 摩擦系数0.09。 实施例4:受流器滑块用炭基复合材料中石墨47%，置干燥箱内10(TC干燥处理4小时 后，加入炭纤维3%，自固化酚醛树脂20%，充分混合，再加入铜粉30%，进行 分散，分散时间2分钟。将分散好的物料放入模具中，加压加热直至固化，压力 90MPa，温度160'C，成型时间2小时。制得的滑块材料密度2.34g/cm3，电阻率 3.4xlO'6Q*m，弯曲强度80MPa，摩擦系数0.04。
权利要求
1、一种受流器滑块用炭基复合材料，其特征在于以石墨、焦炭中的一种或该两者的混合物作为基体，基体占总组分质量百分比为40％～60％；以短切炭纤维为增强剂，其占总组分质量百分比为1％～5％；自固化酚醛树脂为粘结剂，其占总组分质量百分比为15～30％；铜粉、铜纤维中的一种或两者的混合物作为导电组分，导电组分占总组分质量百分比为5～30％。
2、根据权利要求l所述的受流器滑块用炭基复合材料，其特征在于该石墨或焦炭粒径小于150目；短切炭纤维是聚丙烯腈基炭纤维、沥青基炭纤维或石墨炭纤维，直径5 7iim;铜粉粒径小于200目，铜纤维长度2 6mm，直径0.05 0.5mm。
3、 一种受流器滑块用炭基复合材料的制备方法，其特征在于该方法包括 以下几个步骤(1) 预烘工序将石墨、焦炭粉松开，置烘箱内干燥处理，以除去颗粒上 吸附的水分；烘干温度10(TC，烘干时间2 4小时；(2) 混料工序先将短切炭纤维，自固化酚醛树脂，石墨、焦炭中的一种 或该两者的混合物充分混合，再加入铜粉、铜纤维中的一种或两者的混合物进 行粗分散，分散时间以1 10分钟为宜；(3) 压制工序受流器滑块用炭基复合材料采用热压法成型将混合好的 物料放入模具中，加压加热直至固化；成型压力30 100兆帕，成型温度160 200°C，成型时间0.5 2小时；(4) 后处理工序热压成型后的制品用高真空碳管炉在真空环境下进行烧 结处理；烧结时间100小时，烧结温度800 950。C。
4、根据权利要求3所述的受流器滑块用炭基复合材料的制备方法，其特征 在于按照该步骤(2)混料后，再采用步骤(3)中热压法成型后的制品具有 金属导电网络结构。
全文摘要
本发明一种受流器滑块用炭基复合材料，包含以下成分以石墨、焦炭中的一种或该两者的混合物作为基体，其占总组分质量百分比为40％～60％；以短切炭纤维为增强剂，其占总组分质量百分比为1％～5％；自固化酚醛树脂为粘结剂，其占总组分质量百分比为15～30％；铜粉、铜纤维中的一种或两者的混合物作为导电组分，其占总组分质量百分比为5～30％。其制备方法包括(1)预烘工序；(2)混料工序；(3)压制工序；(4)后处理工序。该制备工艺简单，成本低廉，适于进行大批量生产。
文档编号H01B1/06GK101165818SQ20071012176
公开日2008年4月23日 申请日期2007年9月13日 优先权日2007年9月13日
发明者孙军杰, 李密丹, 罗瑞盈 申请人:北京航空航天大学