一種受電弓滑板用銅/炭基復(fù)合材料的制備方法與流程

本發(fā)明涉及一種新型銅/炭基復(fù)合材料的制備，特別涉及一種高導(dǎo)電高導(dǎo)熱自潤(rùn)滑的材料制備方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，為緩解日益增長(zhǎng)的旅客數(shù)量與鐵路運(yùn)力不足的矛盾，提高鐵路的運(yùn)營(yíng)效率，我國(guó)相繼開(kāi)通了時(shí)速達(dá)到250km/h和350km/h的高速動(dòng)車組列車。高速動(dòng)車組列車儼然成為了運(yùn)行速度最快、效率最高的路上交通工具。受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)是電力機(jī)車動(dòng)力的源泉，兩者通過(guò)滑動(dòng)接觸將電流引入機(jī)車，驅(qū)動(dòng)機(jī)車運(yùn)行，傳輸功率高達(dá)10000kw。隨著鐵路向高速化、電氣化方向發(fā)展，受電弓滑板材料也需要改進(jìn)和升級(jí)換代。

受電弓滑板是一種要求兼具高強(qiáng)度、高韌性、低電阻、耐磨以及自潤(rùn)滑特性的滑動(dòng)電接觸材料。現(xiàn)役受電弓滑板主要有粉末冶金滑板、純炭滑板和浸金屬碳滑板。粉末冶金滑板具有機(jī)械強(qiáng)度較高、韌性好、抗沖擊性強(qiáng)、電阻小、有利于載流以及維護(hù)安裝等優(yōu)點(diǎn)，但隨著高速化和集電電流的增加，滑板和架空導(dǎo)線的磨耗率大；純炭滑板自潤(rùn)滑性和減磨性能好，在與銅接觸導(dǎo)線摩擦?xí)r可在導(dǎo)線上持續(xù)補(bǔ)給潤(rùn)滑炭膜，具有減少導(dǎo)線磨損的效果。但純炭滑板固有電阻大，集電容量小，接觸區(qū)溫度高，易引起導(dǎo)線過(guò)熱氧化腐蝕；浸金屬炭滑板一定程度上改善了純碳滑板電阻率高的問(wèn)題，然而該類滑板中銅金屬不能很好地形成連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，難以完全發(fā)揮銅合金低電阻的優(yōu)勢(shì)。

泡沫銅是一種在銅基體中均勻分布著大量連續(xù)空洞的新型多功能材料。泡沫銅具有連續(xù)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電性和延展性好，且制備成本較低，常被用于電池基體材料的制備。

目前已經(jīng)有專利提到使用樹(shù)脂浸漬泡沫銅的方法制備泡沫銅/碳基復(fù)合材料，但其所開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品極易出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而使得其適用范圍受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種工藝簡(jiǎn)單、致密效果好、機(jī)械強(qiáng)度高、無(wú)裂紋、導(dǎo)電性能好、具有自潤(rùn)滑能力、使用性能優(yōu)異的受電弓滑板用銅/炭基受電弓滑板的制備方法。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復(fù)合材料的制備方法；包括下述步驟：

步驟一化學(xué)氣相沉積

以泡沫銅作為銅源，通過(guò)化學(xué)氣相沉積在泡沫銅的孔隙以及表面沉積熱解碳，得到半成品；所述泡沫銅為具有連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的泡沫銅，所述泡沫銅的孔隙率為60-98％、通孔率大于98％；

步驟二浸漬-碳化

將步驟一所得半成品包埋于混合粉體a中，在3-10mpa于540-560℃進(jìn)行加壓浸漬，浸漬完成后，在800-950℃進(jìn)行碳化；得到預(yù)成品；所述混合粉體a由瀝青焦、短纖維、石墨、煤油瀝青按質(zhì)按量比，瀝青焦：短纖維：石墨：煤油瀝青＝5-25:5-15:3-20:50-87組成；

步驟三

重復(fù)步驟二的加壓浸漬和碳化處理至少2次，得到成品。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復(fù)合材料的制備方法；所述泡沫銅中，孔隙的孔徑為0.1-10mm、優(yōu)選為1.5mm；所述泡沫銅的孔數(shù)為5-130ppi、優(yōu)選為15ppi。作為優(yōu)選方案，所述泡沫銅的厚度為5-130mm。在工業(yè)上應(yīng)用時(shí)，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％稀鹽酸在超聲波下對(duì)泡沫銅除氧化物活化，然后用蒸餾水清洗，烘干備用。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復(fù)合材料的制備方法；所述泡沫銅為具有連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的泡沫銅，其為產(chǎn)品具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能提供了必要條件。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復(fù)合材料的制備方法；化學(xué)氣相沉積時(shí)，反應(yīng)氣由碳源氣和稀釋氣配制而成，碳源氣為丙烯，稀釋氣為n2，其中，按摩比計(jì)，碳源氣∶稀釋氣＝1∶4-1：6，沉積時(shí)，控制溫度為800-900℃、優(yōu)選為840-860℃、進(jìn)一步優(yōu)選為850℃，時(shí)間為50-150小時(shí)、優(yōu)選為80-120小時(shí)、進(jìn)一步優(yōu)選為100小時(shí)。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復(fù)合材料的制備方法；混合粉體a是通過(guò)下述方案制備的；

以50-200目的瀝青焦、長(zhǎng)度為200um-1000um的短纖維、50-500目的石墨、煤油瀝青為原料；按設(shè)計(jì)組分配取各原料后，置于球磨罐中，球磨4-8小時(shí)，得到各組分混合均勻的混合粉體a。

作為優(yōu)選方案，其球磨的參數(shù)為：使用行星式球磨機(jī)，轉(zhuǎn)速為180-220轉(zhuǎn)/分鐘，球磨時(shí)間4-8小時(shí)，球料比不大于3:1，加料量不超過(guò)球墨罐容積的一半。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復(fù)合材料的制備方法；所述混合粉體a由瀝青焦、短纖維、石墨、煤油瀝青按質(zhì)按量比，瀝青焦：短纖維：石墨：煤油瀝青＝5-25:5-15:3-20:50-87組成。

作為進(jìn)一步的優(yōu)選方案之一，所述混合粉體a，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括下述組分：

瀝青焦20％；

短纖維8％；

石墨15％；

煤油瀝青57％。

作為進(jìn)一步的優(yōu)選方案之一，所述混合粉體a，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括下述組分：

瀝青焦30％；

短纖維8％；

石墨8％；

煤油瀝青54％。

作為進(jìn)一步的優(yōu)選方案之一，所述混合粉體a，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括下述組分：

瀝青焦20％；

短纖維15％；

石墨8％；

煤油瀝青57％。

作為進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述短纖維優(yōu)選為短碳纖維。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復(fù)合材料的制備方法；步驟二中，單次高壓浸漬的時(shí)間為2-10h、優(yōu)選為6-8h。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復(fù)合材料的制備方法；步驟二中，單次碳化的時(shí)間為10-20h、優(yōu)選為15-18min。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復(fù)合材料的制備方法；步驟二中，所述石墨優(yōu)選為鱗片石墨、進(jìn)一步優(yōu)選為天然鱗片石墨。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復(fù)合材料的制備方法；步驟三中，重復(fù)步驟二的加壓浸漬和碳化處理2-4次，得到成品。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復(fù)合材料的制備方法；所得成品的致密度為85-95％。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復(fù)合材料的制備方法；所得成品的壓縮強(qiáng)度為80-95mpa，電阻率0.32-1.1μωm，沖擊強(qiáng)度1.1-1.8j·cm^-2。

本發(fā)明一種受電弓滑板用銅/炭基復(fù)合材料的制備方法；所得成品在電流50a、速度150km/h、載荷100n條件下其動(dòng)態(tài)磨損率為4.0-5.1mm/10000km，平均摩擦系數(shù)為0.18-0.21。

本發(fā)明預(yù)制體選用特殊的泡沫銅，實(shí)現(xiàn)了金屬銅在復(fù)合材料中形成互為連通狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為在載流狀態(tài)下電子的運(yùn)動(dòng)提供了低電阻“通道”，所引入的適量熱解炭的引入既提高了耐磨性及改善了炭與銅金屬的潤(rùn)濕性，增強(qiáng)泡沫銅與炭基體的結(jié)合。本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)特殊組成的浸漬體系(如混合物a)瀝青焦，鱗片石墨，短切碳纖維和煤油瀝青，在避免裂紋產(chǎn)生的同時(shí)，保證了復(fù)合材料高的強(qiáng)度和優(yōu)良的摩擦磨損性能。

原理和優(yōu)勢(shì)

本發(fā)明結(jié)合了泡沫銅優(yōu)良導(dǎo)電性和純炭滑板低摩擦系數(shù)低的優(yōu)點(diǎn)，是以泡沫銅為預(yù)制體，通過(guò)數(shù)次浸漬炭化煤油瀝青、鱗片石墨、瀝青焦和短纖維，完成材料的致密化過(guò)程，制備出高導(dǎo)電低潤(rùn)滑的銅/炭基復(fù)合材料。該復(fù)合材料具有泡沫銅的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)保證了材料優(yōu)良的導(dǎo)電性能，瀝青炭基體與純炭滑板相同，同時(shí)制備工藝簡(jiǎn)單容易控制、制備成本低。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果體現(xiàn)在：

(1)原材料和生產(chǎn)設(shè)備常見(jiàn)，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單易控。

(2)使用氣相沉積法在泡沫銅基體上沉積熱解炭，改善炭元素與銅金屬的界面結(jié)合，碳基體與銅金屬的界面結(jié)合良好，提高了材料的導(dǎo)電性，減少缺陷提高耐磨性。

(3)特殊組分的浸漬體系(如混合物a)的引入，使瀝青的殘?zhí)柯实玫教岣撸瑫r(shí)最后炭化工藝中瀝青體積膨脹變小，更容易實(shí)現(xiàn)試樣的致密化；

(4)使用煤油瀝青為粘結(jié)劑、在煤油瀝青和其他組分的協(xié)同作用下，得到殘?zhí)柯矢?、切?nèi)應(yīng)力小的成品(相對(duì)于樹(shù)脂)；所得產(chǎn)品在具有優(yōu)良強(qiáng)度和韌性的同時(shí)還具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，當(dāng)其與與銅導(dǎo)線配副摩擦，還展現(xiàn)出良好的摩擦性能。

附圖說(shuō)明

附圖1為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的銅/炭基復(fù)合材料的制備流程示意圖；

附圖2為實(shí)例1不同制備階段所得材料的微觀組織照片圖；

附圖3為實(shí)例一、實(shí)例二與實(shí)例三所得成品的摩擦曲線圖；

附圖4為對(duì)比例2所得成品的微觀組織照片圖；

附圖5為對(duì)比例1所得成品的的摩擦曲線圖；

附圖6為對(duì)比例2所得成品的的摩擦曲線圖；

附圖7為對(duì)比例3所得成品的的摩擦曲線圖.

從圖1中可以看出本發(fā)明所設(shè)計(jì)的銅/炭基復(fù)合材料的制備流程。

圖2由a、b、c、d四幅圖組成，其中a表述表面活化后的泡沫銅，b表示化學(xué)氣相沉積碳后的泡沫銅，c、d分別表示所制備成品中不同位置的微觀組織照片圖。從圖2中可以看出，表面活化后的泡沫銅孔隙率高、通空率高且泡沫銅為具有連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；化學(xué)氣相沉積碳后，碳均勻包覆在泡沫銅的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絲以及節(jié)點(diǎn)上；得到成品后，成品致密度高，熱解碳、沉積碳、泡沫銅之間無(wú)裂紋。

從圖3可以看出實(shí)例一、實(shí)例二與實(shí)例三所得成品的摩擦情況。

圖4由a，b兩幅圖組成，表示所制備泡沫銅/樹(shù)脂炭基復(fù)合材料不同倍率的微觀組織照片圖。從圖中可以看出來(lái)，銅/樹(shù)脂炭復(fù)合材料的基體上和基體與泡沫銅界面處均有較為嚴(yán)重的裂紋出現(xiàn)。

從圖5中可以看出對(duì)比例1所得成品的的摩擦情況。

從圖6中可以看出對(duì)比例2所得成品的的摩擦情況。

從圖7中可以看出對(duì)比例3所得成品的的摩擦情況。

具體實(shí)施方式

實(shí)例一

制備過(guò)程和工藝參數(shù)為：

(1)選取泡沫銅尺寸和性能：孔徑1mm，孔隙率90％，銅含量大于99％，孔數(shù)為30ppi，連通率大于98％，密度0.45g/cm²，尺寸為40mm*100mm*100mm。使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％稀鹽酸在超聲波下對(duì)泡沫銅去氧化物活化，然后用蒸餾水清洗，烘干備用。

(2)采用化學(xué)氣相滲透工藝對(duì)泡沫銅預(yù)制體進(jìn)行熱解炭增密，反應(yīng)氣由碳源氣和稀釋氣配制而成，碳源氣為丙烯，稀釋氣為n2，稀釋比為碳源氣∶稀釋氣＝1∶6，沉積溫度為800℃，沉積總時(shí)間50小時(shí)；

(3)瀝青焦含量為20％，瀝青焦選用100目；短切碳纖維含量為8％，短纖維長(zhǎng)度為500um；潤(rùn)滑組元選用天然鱗片石墨，150目，含量15％；粘結(jié)劑選用煤油瀝青，含量57％。將一定比例的煤油瀝青、鱗片石墨、瀝青焦和短切碳纖維粉末放入球磨罐，進(jìn)行三個(gè)小時(shí)的均勻混料和球磨。

(4)將處理過(guò)的泡沫銅放入高壓發(fā)生釜，而后加入混好的瀝青等粉末包埋泡沫銅；加熱到150-200℃使瀝青軟化，然后加壓到5mpa浸漬；最后在加壓條件下，以每分鐘60℃升溫到550℃，保溫一個(gè)小時(shí)，完成預(yù)炭化，得到半焦?fàn)铑A(yù)制體；固化后轉(zhuǎn)炭化爐進(jìn)行炭化處理，炭化溫度為800-950℃；上面的浸漬炭化工藝進(jìn)行三次實(shí)現(xiàn)材料的基本致密化。

該銅/炭基復(fù)合材料基體炭與銅金屬界面結(jié)合良好，銅網(wǎng)分布均勻，壓縮強(qiáng)度為80mpa，電阻率0.5μωm，沖擊強(qiáng)度1.1j·cm^-2，由此可見(jiàn)，該滑板材料具有密度低、電阻率小等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)載流磨損試驗(yàn)表明，在電流50a、速度150km/h、載荷100n條件下，該銅/炭基復(fù)合材料材料動(dòng)態(tài)磨損率為5.1mm/10000km，平均摩擦系數(shù)為0.18(如圖3)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到現(xiàn)代電力機(jī)車用滑板材料的要求。

實(shí)例二：

制備過(guò)程和工藝參數(shù)為：

(1)選取泡沫銅尺寸和性能：孔徑1mm，孔隙率90％，銅含量大于99％，孔數(shù)為20ppi，連通率大于98％，密度0.45g/cm²，尺寸為40mm*100mm*100mm。使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％稀鹽酸在超聲波下對(duì)泡沫銅去氧化物活化，然后用蒸餾水清洗，烘干備用。

(2)采用化學(xué)氣相滲透工藝對(duì)泡沫銅預(yù)制體進(jìn)行熱解炭增密，反應(yīng)氣由碳源氣和稀釋氣配制而成，碳源氣為丙烯，稀釋氣為n2，稀釋比為碳源氣∶稀釋氣＝1∶6，沉積溫度為800℃，沉積總時(shí)間50小時(shí)；

(3)瀝青焦含量為30％，瀝青焦選用100目；短切碳纖維含量為8％，短纖維長(zhǎng)度為250um；潤(rùn)滑組元選用天然鱗片石墨，150目，含量8％；粘結(jié)劑選用煤油瀝青，含量54％。將一定比例的煤油瀝青、鱗片石墨、瀝青焦和短切碳纖維粉末放入球磨罐，進(jìn)行三個(gè)小時(shí)的均勻混料和球磨。

(4)將處理過(guò)的泡沫銅放入高壓發(fā)生釜，而后加入混好的瀝青等粉末包埋泡沫銅；加熱到150-200℃使瀝青軟化，然后加壓到5mpa浸漬；最后在加壓條件下，以每分鐘80℃升溫到550℃，保溫一個(gè)小時(shí)，完成預(yù)炭化，得到半焦?fàn)铑A(yù)制體；固化后轉(zhuǎn)炭化爐進(jìn)行炭化處理，炭化溫度為800-950℃；上面的浸漬炭化工藝進(jìn)行三次實(shí)現(xiàn)材料的基本致密化。

該銅/炭基復(fù)合材料基體炭與銅金屬界面結(jié)合良好，銅網(wǎng)分布均勻，壓縮強(qiáng)度為90mpa，電阻率1.1μωm，沖擊強(qiáng)度1.8j·cm^-2，由此可見(jiàn)，該滑板材料具有密度低、電阻率小等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)載流磨損試驗(yàn)表明，在電流50a、速度150km/h、載荷100n條件下，該銅/炭基復(fù)合材料材料動(dòng)態(tài)磨損率為4.0mm/10000km，平均摩擦系數(shù)為0.18(如圖3)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到現(xiàn)代電力機(jī)車用滑板材料的要求。

實(shí)例三：

制備過(guò)程和工藝參數(shù)為：

(1)選取泡沫銅尺寸和性能：孔徑1mm，孔隙率85％，銅含量大于99％，孔數(shù)為30ppi，連通率大于98％，密度0.51g/cm²，尺寸為40mm*100mm*100mm。使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％稀鹽酸在超聲波下對(duì)泡沫銅去氧化物活化，然后用蒸餾水清洗，烘干備用。

(2)采用化學(xué)氣相滲透工藝對(duì)泡沫銅預(yù)制體進(jìn)行熱解炭增密，反應(yīng)氣由碳源氣和稀釋氣配制而成，碳源氣為丙烯，稀釋氣為n2，稀釋比為碳源氣∶稀釋氣＝1∶6，沉積溫度為800℃，沉積總時(shí)間50小時(shí)；

(3)瀝青焦含量為20％，瀝青焦選用100目；短切碳纖維含量為15％，短纖維長(zhǎng)度為250um；潤(rùn)滑組元選用天然鱗片石墨，150目，含量8％；粘結(jié)劑選用煤油瀝青，含量57％。將一定比例的煤油瀝青、鱗片石墨、瀝青焦和短切碳纖維粉末放入球磨罐，進(jìn)行三個(gè)小時(shí)的均勻混料和球磨。

(4)將處理過(guò)的泡沫銅放入高壓發(fā)生釜，而后加入混好的瀝青等粉末包埋泡沫銅；加熱到150-200℃使瀝青軟化，然后加壓到5mpa浸漬；最后在加壓條件下，以每分鐘60℃升溫到550℃，保溫一個(gè)小時(shí)，完成預(yù)炭化，得到半焦?fàn)铑A(yù)制體；固化后轉(zhuǎn)炭化爐進(jìn)行炭化處理，炭化溫度為800-950℃；上面的浸漬炭化工藝進(jìn)行三次實(shí)現(xiàn)材料的基本致密化。

該銅/炭基復(fù)合材料基體炭與銅金屬界面結(jié)合良好，銅網(wǎng)分布均勻，壓縮強(qiáng)度為85mpa，電阻率0.32μωm，沖擊強(qiáng)度1.3j·cm^-2，由此可見(jiàn)，該滑板材料具有密度低、電阻率小等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)載流磨損試驗(yàn)表明，在電流50a、速度150km/h、載荷100n條件下，該銅/炭基復(fù)合材料材料動(dòng)態(tài)磨損率為4.3mm/10000km，平均摩擦系數(shù)為0.21(如圖3)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到現(xiàn)代電力機(jī)車用滑板材料的要求。

對(duì)比例1

其他的條件參數(shù)和制備方法完全和實(shí)施例1一致，不同之處在于省去了化學(xué)氣相沉積熱解碳的步驟，其所得產(chǎn)品的性能為:壓縮強(qiáng)度為65mpa，電阻率1.8μωm，沖擊強(qiáng)度0.85j·cm-2。經(jīng)載流磨損試驗(yàn)表明，在電流50a、速度150km/h、載荷100n條件下，該銅/炭基復(fù)合材料材料動(dòng)態(tài)磨損率為7.0mm/10000km，平均摩擦系數(shù)為0.22(如圖5)，由此可以看出，其所得產(chǎn)品的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于本發(fā)明的實(shí)施例1.

對(duì)比例2

其他的條件參數(shù)和制備方法完全和實(shí)施例1一致，不同之處在于浸漬時(shí)，煤油瀝青跟換成樹(shù)脂(如圖4)，其所得產(chǎn)品的性能為:壓縮強(qiáng)度為54mpa，電阻率2.5μωm，沖擊強(qiáng)度0.77j·cm-2。經(jīng)載流磨損試驗(yàn)表明，在電流50a、速度150km/h、載荷100n條件下，該銅/炭基復(fù)合材料材料動(dòng)態(tài)磨損率為8.8mm/10000km，平均摩擦系數(shù)為0.23(如圖6)，由此可以看出，其所得產(chǎn)品的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于本發(fā)明的實(shí)施例1.

對(duì)比例3

其他的條件參數(shù)和制備方法完全和實(shí)施例1一致，不同之處在于浸漬時(shí)，瀝青焦15％；短纖維35％；石墨15％；煤油瀝青35％。，其所得產(chǎn)品的性能為:壓縮強(qiáng)度為45mpa，電阻率0.8μωm，沖擊強(qiáng)度0.56j·cm-2。經(jīng)載流磨損試驗(yàn)表明，在電流50a、速度150km/h、載荷100n條件下，該銅/炭基復(fù)合材料材料動(dòng)態(tài)磨損率為10.2mm/10000km，平均摩擦系數(shù)為0.26(如圖7)；由此可以看出，其所得產(chǎn)品的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于本發(fā)明的實(shí)施例1。由實(shí)施例和對(duì)比例可以看出，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的方案中，其中一個(gè)組元或幾個(gè)組元不在本發(fā)明所限定的范圍內(nèi)時(shí)，其很難達(dá)到本發(fā)明所設(shè)計(jì)方案所能達(dá)到的效果。