专利名称：晶须增强碳铝铜复合材料滑板及制备方法
技术领域：
本发明属于新材料领域，涉及晶须增强碳铝铜复合材料滑板的配方及制备方法，可用于高速电气列车上，也可用于城市地铁或其他电气车辆上。
背景技术：
滑板是电气列车的重要集电元件，要求滑板具有良好的导电性、耐磨性和抗冲击韧性等性能，同时要求滑板对接触网导线磨耗尽可能的低。当前电气列车常用的滑板有三种类型碳滑板、粉末冶金滑板和浸金属碳滑板。
碳滑板具有良好的耐磨性，但解除电阻高，抗冲击能力差，因此在机车运行过程容易被折断。粉末冶金滑板具有良好的导电性和抗冲击韧性，但对接触网导线磨损严重。浸金属碳滑板比碳滑板具有更高的导电率和冲击韧性，但是它对接触网导线磨耗严重。
国外的滑板主要是碳滑板和浸金属碳滑板。国内的滑板主要是粉末冶金滑板、碳滑板和浸金属碳滑板。随着列车的不断提速，上述滑板越来越不能满足高速电气列车对滑板的要求，需要一种具有良好的导电性、耐磨性和抗冲击韧性等性能，同时对接触网导线磨耗小的新型滑板。
为了解决上述受电弓滑板在使用方面的不足，相继研制开发了各种改进型的受电弓滑板，如铜基粉末冶金滑板加固体润滑条组成的机械复合式铜基粉末冶金滑板，增加碳条强度的铝包碳滑板，碳纤维增强碳滑板，碳纤维增强金属基滑板，金属/碳复合滑板等。这些滑板虽然对接触网导线磨耗较小，但是电阻率大，抗压强度低，并且生产成本高。
如公开号为CN1178745A的发明专利所述的电力机车用碳—碳复合材料受电弓滑板，该滑板由碳纤维和镀铜碳粉构成。其中碳纤维为增强材料，镀铜碳粉为基体材料。该滑板有效解决了滑板本身及对铜导线磨损严重的问题，但该滑板的冲击韧性低，电阻率高，而且抗压强度低。
公开号为CN1265429A的发明专利公开了一种连续长碳纤维增强碳铜复合材料受电弓滑板，该滑板以铜和镀铜碳粉(石墨、焦炭、炭黑)为基体材料，以连续长碳纤维为增强剂。该滑板虽然具有良好的摩擦磨损性能，但是冲击韧性较低，电阻率较高，而且抗压强度低。
公开号为CN1719549A的发明专利公开了一种混杂纤维增强复合材料受电弓滑板及其制备方法，该滑板以酚醛树脂为基体材料，金属网和混杂纤维为增强剂，以橡胶、石墨、硫酸钡、二氧化硅等为调节剂。该滑板虽然具有良好的抗冲击性能，但是该滑板的制备工艺繁琐，并且滑板的电阻率较高，抗压强度低。
发明内容
本发明的目的针对公知技术存在的不足而研制出一种新型的高速列车滑板材料的制备方法。本发明的技术方案为以晶须为增强材料，以铜铝为基体材料，以碳(石墨、碳纤维)为自润滑耐磨材料，以镍、锡、铌为添加剂。将镀铜的晶须和碳与上述的其他材料按比例均匀混合，然后放到热压机的样品槽中直接热压成型，便可制得滑板材料。
该滑板由晶须、铜、铝、石墨、碳纤维和添加剂构成，属于复合材料滑板。铜具有优良的导电性能，在所有的金属中，导电性能仅次于银。晶须具有很高的强度，能够显著提高滑板材料的抗冲击韧性的作用。石墨、碳纤维具有良好的减磨、耐磨性能。添加剂(镍、锡、铌)具有优化铜基组织，提高铜基材料耐磨的作用。通过采取在石墨粉、碳纤维和晶须的表面上镀铜，然后在将它们与铜粉等混合，可以显著提高了复合材料的界面结合力。因此在理论上铜铝—晶须—碳—添加剂组成的滑板材料，具有良好的导电性、耐磨性和冲击韧性，同时自润滑性能良好。
与公知技术相比所具有的优点该滑板中所用的晶须与碳纤维或石墨纤维比较，不仅价格低，而且强度更高，有利于显著地提高滑板材料的冲击韧性。另外，该滑板中碳纤维的含量为0.2～0.4wt％，远远低于其他专利滑板中碳纤维的含量。可见，该滑板不仅成本低于碳纤维(或石墨纤维)增强铜基或碳基滑板材料，而且在性能上好于碳纤维(或石墨纤维)增强铜基或碳基滑板材料。同时该滑板的制备工艺过程简单，晶须表面处理容易，滑板生产周期短。制成的滑板密度3.8～5.6g/cm3，电阻率0.15～0.18μΩ·m，冲击韧性3.46～3.92J/cm2，抗弯强度296～360MPa，摩擦系数0.058～0.080，抗压强度305～346MPa。
该滑板的具体制备方法如下第一步部分原材料预处理对晶须和碳进行表面化学镀铜处理，镀铜方法如下首先将碳(石墨、碳纤维)放在体积百分含量为60％的浓硝酸中，在80℃条件下硝化处理30分钟，接着将其取出并清洗干净，放在重量百分含量为5wt％氯化亚锡溶液中进行敏化处理，然后将敏化后的碳(石墨、碳纤维)放在0.02wt％氯化钯溶液中进行活化处理，最后将碳(石墨、碳纤维)取出清洗后，放在5wt％的氯化铜溶液中，以烷基磺酸钠为添加剂，搅拌4分钟后取出烘干，即可得到镀铜碳材料。对晶须镀铜时，直接将晶须放到上述氯化铜镀液中，以烷基磺酸钠为添加剂，搅拌4.5分钟后取出烘干，即可得到镀铜的晶须材料。
第二步混料称量所需的铜、铝、镀铜的晶须和碳(石墨、碳纤维)、添加剂(镍、锡、铌)，放到球磨罐中均匀混料时间为3.5～6.0h。
第三步成型原料取出后，放到热压机的样品槽中直接热压成型。热压时的压强为50～260MPa，热压温度的为800℃～1100℃，保温时间为10～30分钟。
图1是本发明工艺流程图具体实施方法实施例1铜含量60wt％，晶须含量1.4wt％，镀铜石墨粉中石墨含量15wt％，碳纤维含量0.2wt％，铝含量15wt％，镍含量2.4wt％，锡含量5.6wt％，铌含量0.4wt％，在球磨罐中均匀混料时间为2.5h，原料取出后，直接热压成型，热压压力200MPa，温度860℃，制成的滑板密度4.28g/cm3，电阻率0.18μΩ·m，冲击韧性3.80J/cm2，抗弯强度346MPa，摩擦系数0.075，抗压强度340MPa。
实施例2铜含量68wt％，晶须含量2wt％，镀铜石墨粉中石墨含量12wt％，碳纤维含量0.2wt％，铝含量11wt％，镍含量1.5wt％，锡含量4.56wt％，铌含量0.8wt％，在球磨罐中均匀混料时间为3h，原料取出后，直接热压成型，热压压强为220MPa，热压时的温度为872℃，制成的滑板密度4.4g/cm3，电阻率0.16μΩ·m，冲击韧性3.92J/cm2，抗弯强度328MPa，摩擦系数0.062，抗压强度342MPa。
实施例3铜含量62wt％，晶须含量3.4wt％，镀铜石墨粉中石墨含量12wt％，碳纤维含量0.24wt％，镍含量3wt％，锡含量2wt％，铌含量0.36wt％，铝含量17wt％，在球磨罐中均匀混料时间为3.8h，原料取出后，直接热压成型，热压压强220MPa，热压时的温度为860℃，制成的滑板密度4.31g/cm3，电阻率0.17μΩ·m，冲击韧性3.67J/cm2，抗弯强度325MPa，摩擦系数0.080，抗压强度322MPa。
实施例4铜含量70wt％，晶须含量4wt％，镀铜石墨粉中石墨含量8wt％，碳纤维含量0.4wt％，镍含量3wt％，锡含量3.4wt％，铌0.8wt％，铝含量10.2wt％，在球磨罐中均匀混料时间为5h，原料取出后，直接热压成型，热压压强180MPa，热压时的温度为890℃，制成的滑板密度5.42g/cm3，电阻0.15μΩ·m，冲击韧性3.82J/cm2，抗弯强度329MPa，摩擦系数0.065，抗压强度316MPa。
实施例5铜含量60.5wt％，晶须含量3.5wt％，镀铜石墨粉中石墨含量12wt％，碳纤维含量0.4wt％，镍含量3wt％，锡含量8wt％，铌含量0.6wt％，铝含量12wt％，在球磨罐中均匀混料时间为4h，原料取出后，直接热压成型，热压的压强165MPa，热压时的温度为850℃，制成的滑板密度4.14g/cm3，电阻率0.16μΩ·m，冲击韧性3.45J/cm2，抗弯强度320MPa，摩擦系数0.069，抗压强度336MPa。
实施例6铜含量58wt％，晶须含量4.5wt％，镀铜石墨粉中石墨含量10wt％，铝含量20％，镍含量2.5wt％，锡含量4.98wt％，铌含量0.02wt％，在球磨罐中均匀混料时间为6h，原料取出后，直接热压成型，热压压强210MPa，热压时的温度为840℃，制成的滑板密度3.92g/cm3，电阻率0.18μΩ·m，冲击韧性3.60J/cm2，抗弯强度338MPa，摩擦系数0.058，抗压强度345MPa。
权利要求
1.晶须增强碳铝铜复合材料滑板及制备方法，其特征在于以铜、铝为基体材料，以晶须为增强材料，以碳(石墨、碳纤维)为自润滑耐磨材料，以锡、镍、铌为添加剂，其中含铜量为37wt％～89wt％，晶须含量为0.5～10wt％，碳含量为6～15wt％(石墨含量6～15wt％，碳纤维含量为0.2～0.4wt％)，铝含量为2～20wt％，添加剂含量为2.21～18.62wt％(镍含量为1.2～7.6wt％，锡含量为1～10wt％，铌含量为0.01～1.02wt％)。各组分含量均为重量百分比。
2.根据权利要求1的晶须增强碳铝铜复合材料滑板及制备方法，其特征在于铜粉的粒度不大于40μm，铝、镍、锡和铌四种粉末的粒度都不大于82μm。晶须的直径为8～18μm，晶须的长度为22～210μm。
3.如权利要求2所说的晶须增强碳铝铜复合材料滑板及制备方法，其特征在于使用的晶须为硼酸铝晶须，也可使用硫酸镁晶须、氧化镁晶须、氧化锌晶须、钛酸钾晶须。
4.根据权利要求1的晶须增强碳铝铜复合材料滑板及制备方法，其特征在于使用的碳包括石墨和碳纤维。石墨的粒度为20～30μm，碳纤维为普通的中强型纤维，直径为6～8μm。
5.根据权利要求4的晶须增强碳铝铜复合材料滑板及制备方法，其特征在于晶须和碳(石墨、碳纤维)在热压前需进行镀铜预处理。铜镀层的厚度为0.8～8μm。
6.根据权利要求1的晶须增强碳铝铜复合材料滑板及制备方法，其特征在于将原料(铜粉，铝粉，镀铜晶须，镀铜石墨，镀铜碳纤维，添加剂)放在球磨罐中充分混合，混料时间为3.5h～6.0h，原料充分混合后取出，放在热压机的样品热压槽中直接热压成型，热压时的压强为50～260MPa，热压温度的为800℃～1100℃，保温时间为10～30分钟。
全文摘要
本发明提供一种晶须增强碳铝铜复合材料滑板及制备方法，应用于高速电气列车上，属于新材料领域，该滑板以晶须为增强材料，以铜铝为基体材料，以碳(石墨、碳纤维)为自润滑耐磨材料，以镍、锡、铌为添加剂。将所有组分均匀混合后，采用热压的方法直接成型。本发明制备的受电弓滑板具有良好的导电性、耐磨性和抗冲击性的特点，同时对接触网导线磨耗很小。该滑板不仅制备工艺简单，而且生产周期远远短于常规的先将混匀的原料压制成型，然后进行烧结成型的制备方法。该滑板材料不仅适合做高速电气列车的滑板，而且适合做城市地铁和其它电气车辆的电接触材料。
文档编号H01B1/02GK1931626SQ20061015060
公开日2007年3月21日 申请日期2006年10月19日 优先权日2006年10月19日
发明者杨连威 申请人:杨连威