一种制备高速列车用碳/碳复合材料受电弓滑块的工艺方法与流程

本发明涉及一种制备高速列车用碳/碳复合材料受电弓滑块的工艺方法。

背景技术：

高速列车受电弓滑块(板)是电力机车从电网获取电流，为列车提供动力的重要元件。由于其工作过程中与电网导线接触并产生高速摩擦。因此，其摩擦组件的好坏直接影响高速列车安全性和经济性。目前，我国高速铁路采用的受电弓滑块主要是改性石墨块与粉末冶金块。石墨组件机械强度低，磨损量大；粉末冶金以金属铁和铜粉为基本成分，在摩擦过程中粉末冶金滑板与导线材质接近，导线磨损程度较大，且容易产生电弧。随着我国高速铁路的飞速发展，对受电弓滑块的要求越来越高，高机械强度，耐冲击性以及低导线磨损成为了受电弓滑块的重要发展方向。

化学气相沉积(cvi)是一种比较成熟的制备连续纤维增强碳基/陶瓷基复合材料的方法。但这种方法最大的缺点在于生产周期特别长(通常要600～1000h)。

如前文提到的，cvi工艺最大的缺点有二。其一，生产周期长；其二，工艺参数复杂，无法做到产品性能的精确控制。这两个cvi工艺的天生缺陷造成了生产成本过高，也因此阻碍了该工艺路线大规模产业化的道路。

专利《一种受电弓用c/c复合材料滑条的制备方法》(专利号：cn104692823a)提到使用无纬碳布与炭纤维网胎叠层纵向穿刺形成的2.5d炭纤维预制体先进行热处理，然后先进行化学气相沉积再进行数次树脂或沥青浸渍-裂解循环，最后进行石墨化处理制得目标产品。该技术方案是典型的cvi+pip(pip—(前驱体浸渍-裂解precursorinfiltrationpyrolysis简称)工艺路线，其整个生产周期不低于400～600h。因此造成该工艺的生产周期长，生产成本高。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种制备高速列车用碳/碳复合材料受电弓滑块的工艺方法，以解决现有技术存在的问题。

一种制备高速列车用碳/碳复合材料受电弓滑块的方法，包括以下步骤：

1)将碳纤维受电弓滑块预制体石墨化处理；

2)装炉，将石墨化处理后的若干碳纤维受电弓滑块预制体依次装入料筒工装内；

3)吹扫；

4)开启冷却水循环系统；

5)升温；

6)快速沉积，将碳源气体从高温气相沉积炉顶部或底部通入，气体预热后经所述料筒工装与预制体之间的窄缝进入，并在每层预制体表面快速流过，尾气经所述料筒工装末端汇集抽出炉体；

7)石墨化处理；

8)机加工处理，将石墨化后的碳/碳复合材料受电弓滑块根据最终结构设计进行精细加工打磨，碳/碳复合材料受电弓滑块制备完成。

由于采用以上技术方案，本发明一种制备高速列车用碳/碳复合材料受电弓滑块的工艺方法，对碳源气体在流经区域的动量传递，能量传递，质量传递以及化学反应(“三传一反“)进行了多尺度建模计算，核算出一种或几种最优参数，最终指导我们对工装尺寸以及工艺参数进行及时修正。因此，大大提高了工艺参数对产品作用的反馈，有效提高了沉积速率，极大地缩短了常规化学气相沉积的周期，并且有效密度达到1.7g/cm³以上。

附图说明

图1为本发明中受电弓滑块预制体装炉示意图

图2为图1受电弓滑块预制体装炉工装俯视示意图

图3为图2中单个装料单元俯视示意图

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

一种制备高速列车用碳/碳复合材料受电弓滑块的方法，包括以下步骤：

1)将碳纤维受电弓滑块预制体石墨化处理；

2)装炉，将石墨化处理后的若干碳纤维受电弓滑块预制体依次装入料筒工装内；

3)吹扫；

4)开启冷却水循环系统；

5)升温；

6)快速沉积，将碳源气体从高温气相沉积炉顶部或底部通入，气体预热后经所述料筒工装与预制体之间的窄缝进入，并在每层预制体表面快速流过，尾气经所述料筒工装末端汇集抽出炉体；

7)石墨化处理；

8)机加工处理，将石墨化后的碳/碳复合材料受电弓滑块根据最终结构设计进行精细加工打磨，碳/碳复合材料受电弓滑块制备完成。

其中，所述步骤1)中石墨化温度为2200～2500℃，石墨化处理时间为2～10h；所述料筒工装为石墨或碳/碳复合材料制品的多孔直筒；所述步骤3)中吹扫时间持续1～5h；所述步骤5)中，升温速度控制在50℃/h～150℃/h，当温度达到800℃～1100℃时开始保温；所述步骤6)中，碳源气体为天然气，甲烷，乙烷，乙烯，丙烷或丙烯；所述步骤6)中，碳源气体流量控制在5m³/h～50m³/h，压强控制在3kpa～50kpa，恒温区中心温度在800℃～1100℃之间，沉积时间控制在150～250h；所述步骤7)中石墨化处理温度为2200℃～2600℃，处理时间为2～5h。

实施例1

一种制备高速列车用碳/碳复合材料受电弓滑块的方法，包括以下步骤：

1)将碳纤维受电弓滑块预制体石墨化处理，石墨化温度为2200℃，石墨化处理时间为2h；

2)装炉，将针刺叠层受电弓滑块预制体按照高温气相沉积炉炉体内为网格状进行装填。图1为受电弓滑块预制体装炉示意图，图2为受电弓滑块预制体装炉工装俯视示意图，该料筒工装为石墨/碳复合材料制品的多孔直筒，图3为单个装料单元工装局部放大图俯视示意图，每块，即每排针刺叠层受电弓滑块预制体的两侧为气体流动区域，图3中a为预制体区域，气体流动区域b宽度为2mm，图中，炉体内两侧超出气体流动区域b的部分为限位区域，作用在于固定预制体在工装中的位置，后期机加工进行处理，通过模拟分析气体前驱体在窄缝中的流场分布，表明该工装布局合理；

3)吹扫，用高纯ar对整个高温气相沉积炉内进行吹扫，吹扫时间持续1h；

4)开启冷却水循环系统；

5)升温，升温速度控制在50℃/h，当温度达到800℃时停止升温；

6)快速沉积，将天然气作为碳源气体，从高温气相沉积炉顶部通入，流量控制在5m³/h，压强控制在3kpa，碳源气体首先经过炉顶气体通道预热区，预热区经由石墨碳板分割，目的是最终将混合气体的温度加热到950℃之间，接着进入预制体区域恒温区，沉积时间控制在100h；

7)石墨化处理，将上述样品置于高温炉中进行石墨化处理，石墨化处理温度为2200℃，处理时间为2h；

8)机加工处理，将上述石墨化处理后的产品根据产品要求进行加工处理形成最终产品。

实施例2

一种制备高速列车用碳/碳复合材料受电弓滑块的方法，包括以下步骤：

1)将碳纤维受电弓滑块预制体石墨化处理，石墨化温度为2500℃，石墨化处理时间为10h；

2)装炉，将针刺叠层受电弓滑块预制体按照高温气相沉积炉炉体内为网格状进行装填，每块，即每排针刺叠层受电弓滑块预制体的两侧为气体流动区域，气体流动区域宽度为15mm，炉体内两侧超出气体流动区域的部分为限位区域，作用在于固定预制体在工装中的位置，后期机加工进行处理；

3)吹扫，用高纯n2对整个高温气相沉积炉内进行吹扫，吹扫时间持续5h；

4)开启冷却水循环系统；

5)升温，升温速度控制在150℃/h，当温度达到1100℃时停止升温；

6)快速沉积，将甲烷作为碳源气体，从高温气相沉积炉底部通入，流量控制在50m³/h，压强控制在50kpa，碳源气体首先经过炉底气体通道预热区，预热区经由石墨碳板分割，目的是最终将混合气体的温度加热到1100℃之间，接着进入预制体区域恒温区，沉积时间控制在400h；

7)石墨化处理，将上述样品置于高温炉中进行石墨化处理，石墨化处理温度为2600℃，处理时间为5h；

8)机加工处理，将上述石墨化处理后的产品根据产品要求进行加工处理形成最终产品。

实施例3

一种制备高速列车用碳/碳复合材料受电弓滑块的方法，包括以下步骤：

1)将碳纤维受电弓滑块预制体石墨化处理，石墨化温度为2300℃，石墨化处理时间为8h；

2)装炉，将针刺叠层受电弓滑块预制体按照高温气相沉积炉炉体内为网格状进行装填，每块，即每排针刺叠层受电弓滑块预制体的两侧为气体流动区域，气体流动区域宽度为10mm，炉体内两侧超出气体流动区域的部分为限位区域，作用在于固定预制体在工装中的位置，后期机加工进行处理；

3)吹扫，用高纯ar对整个高温气相沉积炉内进行吹扫，吹扫时间持续2h；

4)开启冷却水循环系统；

5)升温，升温速度控制在80℃/h，当温度达到1000℃时停止升温；

6)快速沉积，将丙烷作为碳源气体，从高温气相沉积炉顶部通入，流量控制在20m³/h，压强控制在20kpa，碳源气体首先经过炉顶气体通道预热区，预热区经由石墨碳板分割，目的是最终将混合气体的温度加热到960℃之间，接着进入预制体区域恒温区，沉积时间控制在200h；

7)石墨化处理，将上述样品置于高温炉中进行石墨化处理，石墨化处理温度为2300℃，处理时间为3h；

8)机加工处理，将上述石墨化处理后的产品根据产品要求进行加工处理形成最终产品。

实施例4

一种制备高速列车用碳/碳复合材料受电弓滑块的方法，包括以下步骤：

1)将碳纤维受电弓滑块预制体石墨化处理，石墨化温度为2500℃，石墨化处理时间为5h；

2)装炉，将针刺叠层受电弓滑块预制体按照高温气相沉积炉炉体内为网格状进行装填，每块，即每排针刺叠层受电弓滑块预制体的两侧为气体流动区域，气体流动区域宽度为6mm，炉体内两侧超出气体流动区域的部分为限位区域，作用在于固定预制体在工装中的位置，后期机加工进行处理；

3)吹扫，用高纯n2对整个高温气相沉积炉内进行吹扫，吹扫时间持续3h；

4)开启冷却水循环系统；

5)升温，升温速度控制在80℃/h，当温度达到990℃时停止升温；

6)快速沉积，将丙烯作为碳源气体，从高温气相沉积炉底部通入，流量控制在30m³/h，压强控制在10kpa，碳源气体首先经过炉底气体通道预热区，预热区经由石墨碳板分割，目的是最终将混合气体的温度加热到1100℃之间，接着进入预制体区域恒温区，沉积时间控制在100h；

7)石墨化处理，将上述样品置于高温炉中进行石墨化处理，石墨化处理温度为2500℃，处理时间为3h；

8)机加工处理，将上述石墨化处理后的产品根据产品要求进行加工处理形成最终产品。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。