碳纤维增强铜基受电弓滑板材料的制造方法
【专利摘要】碳纤维增强铜基受电弓滑板材料的制造方法，材料由铜、石墨、碳纤维组成，其特征在于采用机械合金化方式将石墨与电解铜粉制成具有纳米结构的复合粉末作为基体材料，再将碳纤维表面进行合金化处理，使其表面覆盖30-40μm厚的铜镀层，将镀铜后的碳纤维切成段，然后再与基体烧结在一起。由此材料生产的受电弓滑板具有减摩性好、耐磨性好、导电性好、电弧敏感性低等特点。本发明除用于铁路列车、地铁、城市轨道列车等外，还可以应用到与此相关领域的相似产品，如电机电刷、滑动触头等行业，开辟了滑动电接触材料的新领域。
【专利说明】碳纤维增强铜基受电弓滑板材料的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种碳纤维增强铜基受电弓滑板材料的制造方法。
【背景技术】
[0002]受电弓滑板(简称滑板)是电力机车从接触网获取动力的重要集电受流元件。电力机车受电弓滑板主要经历了纯金属滑板(铜滑板、软钢滑板)、纯碳滑板、粉末冶金滑板(铁基和铜基)、浸金属碳滑板、复合型滑板、金属基或非金属基复合材料滑板的发展历程。由于随着铁路电气化和高速化的不断发展，对滑板材料的要求不断地提高，滑板的发展趋势将以碳纤维滑板、金属纤维滑板、带有自润滑和它润滑功能的金属基复合材料(如铜/碳复合材料)、非金属基复合材料(如碳基复合材料)取代碳板和粉末冶金滑板为主，而铜/碳基复合材料是今后电力机车滑动集电材料的主要发展方向。但是国内外在复合材料研究方面仍存在很多实际应用上的问题尚未得到满意的解决，主要是由于其复合界面只能机械互锁，结合强度低，当承受载荷或冲击时往往造成增强体的拔出、剥离或脱落。而且由于这类滑动导电材料在使用过程中，除了受到机械力和摩擦力的作用以外，还有焦耳热、电弧的灼烧以及因电流极性而产生的材料转移，因此，通常要求材料具有良好的导电性、高耐磨性和良好的力学强度的相互配合。如何在保持较高电导率水平的前提下，大幅度地提高强度、硬度和耐磨性的问题已成为铜基滑板复合材料研发的中心任务。
【发明内容】
[0003]本发明旨在提供一种硬度，强度，导电性和减摩自润滑性能良好配合的碳纤维增强铜基受电弓滑板材料的制造方法。本方法的技术方案如下:
[0004]碳纤维增强铜基受电弓滑板由铜、石墨、碳纤维组成，是一种铜基复合材料，其特征在于采用机械合金化方式将石墨与电解铜粉制成具有纳米结构的复合粉末作为基体材料，再将碳纤维表面进行合金化处理，使其表面覆盖30~40 μ m厚的铜镀层，将镀铜后的碳纤维切成段，然后再与基体烧结在一起。
[0005]机械合金化法是一种高能球磨技术，通过磨球和磨球之间、磨球和料罐之间的碰撞挤压，磨球之间中心线上的粉末受到强烈的塑性变形，加工硬化和破碎，这些被破碎的粉末在随后的球磨过程中又发生冷焊、再次被破碎，如此反复破碎、混合的粉末形成洁净“原子化”表面，这些相互接触的不同组元原子互相渗入，产生界面有一定原子结合力的颗粒，从而达到复合化的目的。铜与石墨机械合金化后，得到具有碳在铜中的过饱和固溶体结构，纳米结构，微细孪晶结构的石墨/铜复合粉末，大大提高了粉末的活性，改善了铜、碳的相溶性。
[0006]本方法采用技术采用放电等离子烧结技术(SPS)将基料与碳纤维烧结在一起。SPS有以下烧结特性:烧结温度低，烧结时间短，可获得细小、均匀的组织，并能保持原始材料的自然状态；能获得高致密度的材料；通过控制烧结组份与工艺，能烧结类似于梯度材料、纳米材料及高性能精密零部件等材料。采用SPS工艺制备Cu基复合材料，可以提高材料的致密度，改善界面的接合状态，从而获得好的材料性能。
[0007]本发明提供了碳纤维增强铜基受电弓滑板材料的制造方法，该材料利用铜的优良导电性，石墨作为固体润滑剂，以其良好的润滑性和抗熔焊性对基体铜起到保护作用，碳纤维作为增强体，提高材料的强度。由此材料生产的受电弓滑板具有减摩性好、耐磨性好、导电性好、电弧敏感性低等特点，满足和优于国家标准的新型受电弓滑板产品。用上述方法 得到的碳纤维增强铜基受电弓滑板材料性能指标达到:密度7.35g/cm3，表面硬度139HB，电阻率0.078Ω.πι，满足并超过电力机车受电弓滑板国家标准(ΤΒ/Τ 1842.1-2002):密度6.5~7.5g/cm3，表面硬度75~120HB，电阻率<0.35μΩ.m。本发明不只用于铁路列车、地铁、城市轨道列车等，本发明的材料可以应用到与此相关领域的相似产品，如电机电刷、滑动触头等行业，开辟出滑动电接触材料的新领域。
【具体实施方式】
[0008]第一步，铜石墨复合粉末基体材料的制备。
[0009]首先把电解铜粉与鳞片状石墨(4wt%)混合粉末(铜粉平均粒度为300目，密度为8.96g/cm3 ;石墨平均粒度25 μ m,其密度为2.09~2.23g/cm3’质量分数为4%)投入到三维摆动式高能球磨机中球磨24小时，球料比4:1，转速500r/分钟。在球磨过程中，将少量丙酮作为控制剂每三个小时左右往球磨罐加一次，可以防止磨球及球磨罐内壁上的粉末黏着。罐内充氩气作为保护气氛。为了防止氧化，将球磨后的粉体进行密封。
[0010]第二步，碳纤维表面镀铜。采用化学预处理和电镀结合的复合镀方法
[0011]1、电镀液的制备:
[0012]( I)在电镀槽中添加约80%的蒸馏水，加热到50°C ；
[0013](2)向电镀槽中加入CuSO4.5H20比例为220~240g/L (按所配溶液总量计算，下同)，不断搅拌直到完全溶解；
[0014](3)向溶液中加入浓H2SO4 (35ml/L);然后再加入适量的H2O2 (2ml/L)搅拌10分钟，静置I小时后，升温到70°C赶走H2O2 ；
[0015](4)向溶液中加入活性碳(2g/L)，搅拌I小时后，静止过滤到另一电镀槽内，然后添加蒸馏水至100% ；
[0016](5)用纯铁片做阴极，纯铜片做阳极，用小于0.0lmA的电流，对溶液进行电解除杂24小时。
[0017]2、碳纤维镀铜
[0018]采用的原始碳纤维参数为:每束含单丝3000根，平均直径为7 μ m，密度为1.76g/cm3，含碳量<93%，抗拉强度<3.0GPa，弹性模量210~240GPa，伸长率<1.5%。
[0019](I)碳纤维首先在80°C的20%Na0H溶液中进行脱胶处理10分钟，然后用清水洗净；水洗后的碳纤维放在80°C的20%HN03溶液中进行粗化处理10分钟，然后水洗，吹干。
[0020](2)将预处理后的碳纤维分散并连接纯铜片作阴极。电流密度为3A/dm2，电镀时间为I小时，最终得到镀层均匀、致密、颗粒细小、镀层厚度约为30~40 μ m的镀铜碳纤维。
[0021](3)将制得的镀铜碳纤维切成小段(I~2mm)。
[0022]第三步，制备碳纤维增强铜碳滑板复合材料
[0023]采用放电等离子烧结技术(SPS )将基料与碳纤维烧结在一起。先将镀铜碳纤维段和基体复合粉末混合均匀，然后填充于WC硬质合金模具中置入SPS装置中烧结成型，烧结温度600°C，加热速度150°c/分钟，单向最大压力170MPa，保温时间15分钟，烧结腔内真空度为0.0094MPa。为方便起模，并且防止基体铜复合粉末被进一步氧化，烧结过程中用石墨纸作为内衬垫。
【权利要求】
1.碳纤维增强铜基受电弓滑板材料的制造方法，材料由铜、石墨、碳纤维组成，是一种铜基复合材料，其特征在于:采用机械合金化 方式将石墨与电解铜粉制成具有纳米结构的复合粉末作为基体材料，再将碳纤维表面进行合金化处理，使其表面覆盖30-40 μ m厚的铜镀层，将镀铜后的碳纤维切成段，然后再与基体烧结在一起。
2.根据权利要求1所说的碳纤维增强铜基受电弓滑板材料的制造方法，其特征在于:采用放电等离子烧结技术将基料与碳纤维烧结在一起。
【文档编号】C22C47/14GK103469123SQ201310445254
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月26日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】冉旭 申请人:长春工业大学