集電用碳－碳複合材料的製作方法

2023-05-22 03:04:56 1

專利名稱：集電用碳－碳複合材料的製作方法
技術領域：
本發明是一種新型的集電用碳纖維增強碳複合材料，可以應用於電力機車受電弓滑板、無軌電車受電滑塊和其他集電的使用場合，屬化學部複合材料技術領域。
目前在集電方面，使用較多的材料主要有金屬材料、粉末冶金材料和碳質材料等。金屬集電材料採用銅、鋼、鋁等製成，具有強度高、韌性好、耐磨性能好、電阻率小等優等，但其耐電弧性能差，對摩擦副材料的磨損太大。目前這類金屬集電材料僅適用於強度特別高的應用場合。粉末冶金集電材料主要採用銅基粉或鐵基粉為基體，並加其他金屬粉和非金屬粉壓制燒結而成，它機械強度高、韌性好、抗衝擊性強，使用中斷裂、掉塊、偏磨現象很少，但是它對銅摩擦副的磨損非常嚴重，而且在使用中易發生電弧，不但增大了機械磨損和電弧磨損，還幹擾無線電信號。碳質集電材料潤滑性能、減磨性能以及耐電弧性能好，重量輕、噪音小，在與摩擦副接觸時在摩擦副上形成一層碳膜，大大改善了對摩擦副的磨損。同時，它具有良好的接觸穩定性，對無線電及電視的幹擾極小，但是碳質材料的耐磨性能差、機械強度低、易脆、易掉塊和斷裂，使用壽命低，同時碳質材料的固有電阻大、接觸壓降較高，還因生產中各種因素的波動，使碳質集電材料性能不均勻。
從檢索資料來看，八十年代以來研製了一種新型集電材料浸金屬碳。這是將碳基料在高溫高壓下浸漬金屬，一些金屬滲入到碳材料的氣孔中，在碳中構成細密的網狀結構。這種材料的緻密性好，其強度、韌性和耐磨性比基體碳好，熱穩定性好，熱膨脹率較低，導熱率和導電率較高，對導線不熔焊，耐弧性高，接觸電阻小。但是，這種材料製造工藝複雜，成本較高，對銅的磨損較大，而且抗衝擊性能較差。還有一種日本專利登載的碳-金屬複合材料滑動集電材料，這種複合材料以金屬纖維、金屬粉末、金屬絲網或它們的混合物增強碳基體，採用適當的混料方式將增強劑均勻的分布子基體之中，然後進行冷壓或熱壓，再經過高溫燒結後得到複合材料。這種材料的機械性能和導電性能都比較好，但如果出現增強劑的損傷，複合材料的導電性能會嚴重惡化，而且由於金屬在碳基體中以比較大的尺寸分布，對銅的磨損比較嚴重。
本發明的目的就在於針對現有技術中的缺陷，研究提出一種新型的集電複合材料，主要針對銅摩擦副，使這種複合材料能夠在保持碳質材料優良的摩擦磨損性能的基礎上，提高其機械性能和導電性能。
本發明的技術解決方案為以鍍銅碳材料粉末為基體，採用短碳纖維作為增強劑，採用熱固性樹脂作為粘結劑，採用溼態混合或幹態混合的方法，將原料充分混合，然後進行冷壓和(或)熱壓，得到所需的複合材料。
本發明所使用的鍍銅碳粉末基體材料包括鍍銅石墨粉和鍍銅焦炭粉，鍍銅粉末的銅含量在20％-80％，可根據需要進行調整。鍍銅粉末的粒度小於0.2mm。碳纖維增強劑採用長度小於5mm、直徑小於等於20μm的碳纖維，其重量百分比為1-25％；粘結劑使用熱固性樹脂，如酚醛樹脂，其用量為3-25％。
原料的混合根據粘結劑加入狀態的不同可分為溼態混合和幹態混合。混合過程必須保證各個原料組分之間均勻混合。
複合材料的成型使用冷壓和(或)熱壓工藝。採用冷壓還是採用熱壓，或者採用冷壓加熱壓，可以根據實際需要而定。冷壓壓力大於等於150MPa，時間大於等於30s。冷壓成型後可根據材料的使用要求確定是否浸漬樹脂，浸漬樹脂可提高複合材料的緻密度和機械性能，浸漬樹脂的壓力大於等於0.3MPa，時間大於等於1小時。熱壓壓力不小於100MPa，溫度50-300℃，保持壓力時間大於等於60s。熱壓以後可根據需要對材料進行浸漬樹脂處理和燒結處理。燒結處理溫度50-300℃，時間大於等於5小時。
下面通過幾個實施例來進一步說明本發明的技術內容。
實施例1使用10％碳纖維，5％酚醛樹脂和固化劑，其餘為鍍銅碳質粉末(含30％銅)，採用幹態混料方式，在350MPa的壓力下冷壓5分鐘，然後在170℃的溫度下燒結30小時。得到的複合材料的電阻率為5.7μΩm，肖氏硬度48，抗壓強度70MPa。這種材料可用來製造電觸點等。
實施例2使用2％碳纖維，10％酚醛樹脂和固化劑，其餘為鍍銅碳質粉末(含80％銅)，採用幹態混料方式，在200MPa的壓力和170℃的溫度下熱壓5分鐘。這種複合材料的電阻率為1.75μΩm，肖氏硬度70，抗壓強度85MPa。這種材料可用來製造行車用集電滑輪、滑塊等。
實施例3使用5％碳纖維，22％酚醛樹脂和固化劑，其餘為鍍銅碳質粉末(含55％銅)，採用溼態混料方式，在245MPa的壓力和180℃的溫度下熱壓10分鐘。材料的電阻率為15μΩm，肖氏硬度107，抗壓強度134MPa。這種材料可用來製造無軌電車用集電滑塊等。
實施例4使用10％碳纖維，15％酚醛樹脂和固化劑，其餘為鍍銅碳質粉末(含60％銅)，採用溼態混料方式，首先在270MPa的壓力下冷壓1.5分鐘，然後在270MPa的壓力和180℃的溫度下熱壓7分鐘，最後在150℃的溫度下燒結20小時。得到的複合材料電阻率為5.8μΩm，抗壓強度123MPa，夏氏衝擊值為0.44J/cm2。這種材料可用來製造電力機車用受電弓滑板等。
本發明製備的複合材料具有優異的摩擦磨損性能，對銅摩擦副的磨損程度之小是碳質集電材料所不能達到的，而且與碳質集電材料相比，導電性能和機械性能有了明顯提高。使用這種複合材料可以製造綜合性能良好的集電零部件。
權利要求
1.一種集電用碳纖維增強碳複合材料，其特徵在於以銅含量為20％-80％的鍍銅碳粉末為基體材料，採用重量百分比為1-25％的短碳纖維為增強劑，採用用量為3-25％的熱固性樹脂作為粘結劑。
2.一種如權利要求1所說的集電用碳纖維增強碳複合材料的製造方法，其特徵在於將原料溼態混合或幹態混合後，使用冷壓和(或)熱壓成型，冷壓壓力大於等於150MPa，保持時間大於等於30s，熱壓壓力不小於100MPa，溫度50-300℃，保持壓力時間大於等於60s。
3.一種如權利要求1所說的集電用碳纖維增強碳複合材料，其特徵在於所說的鍍銅碳粉末包括鍍銅石墨粉和鍍銅焦炭粉，鍍銅粉末的粒度小於0.2mm，短碳纖維採用長度小於5mm，直徑小於等於20μm的碳纖維，熱固性樹脂採用酚醛樹脂。
4.一種如權利要求2所說的集電用碳纖維增強碳複合材料的製造方法，其特徵在於冷壓以後再浸漬樹脂，其壓力大於等於0.3MPa，時間大於等於1小時。
5.一種如權利要求2所說的集電用碳纖維增強碳複合材料的製造方法，其特徵在於熱壓以後再進行燒結處理，其溫度為50-300℃，時間大於等於5小時。
全文摘要
一種集電用碳纖維增強碳複合材料,以鍍銅碳粉末為基體材料,採用短碳纖維作為增強劑,採用熱固性樹脂作為粘結劑,經溼態混合或幹態混合後進行冷壓和(或)熱壓成型,得到的複合材料可以用於電力機車受電弓滑板、無軌電車受電滑塊和其他集電的使用場合。
文檔編號F16D69/02GK1184794SQ9710664
公開日1998年6月17日 申請日期1997年10月7日 優先權日1997年10月7日
發明者吳渝英, 閻兆旺, 張國定, 謝國宏, 高強, 餘敏東 申請人:寶山鋼鐵(集團)公司, 上海交通大學