[发明专利]一种C/C-Cu复合材料的制备方法

说明书

本发明属于电力机车用受电弓滑板材料制备技术领域，公开一种C/C‑Cu复合材料的制备方法。该方法首先在铜网表面制备Ti‑Ta层，然后以无纬炭布、碳纤维网胎、石墨和Ti‑Ta铜网作为基本原材料，采用接力式针刺的方法进行炭纤维针刺整体毡的制备，得到2.5D炭纤维针刺整体毡，再进行化学气相沉积热解碳处理和聚合物浸渍‑炭化处理，最终得到具有低电阻率、优良机械性能的成品。本发明有益效果在于解决了现有金属型碳纤维滑板Cu/C不润湿，导致复合材料中Cu/C界面不佳的问题，提供了一种具有低电阻率、优良机械性能的C/C‑Cu复合材料的制备方法。

技术领域

本发明属于电力机车用受电弓滑板材料制备技术领域，更具体的，涉及一种C/C-Cu复合材料的制备方法。

背景技术

电力牵引的高速列车是通过受电弓碳滑板上的碳滑条与接触网导线摩擦接触，将电网上的电流传输给机车电力系统，从而供给高速列车动力，维持机车正常运行的。受电弓滑板是电力机车供电部分的重要部件，是一种要求兼具高强度、高韧性、高导电导热、低电阻、耐磨以及自润滑性能于一体的滑动电接触材料，其受流性能是确保机车提速和重载牵引的关键。

受电弓滑板经历数十年的发展，为了满足电力机车速度逐渐提高的需求，由最初的纯金属滑板、粉末冶金滑板逐步发展到纯炭滑板、浸金属炭滑板以及尚处于探索研究的钛硅碳(Ti3SiC2)陶瓷滑板和炭纤维复合材料滑板。

受电弓滑板按材质主要分为金属基滑板和炭系滑板两大类，金属基滑板包括纯金属滑板和粉末冶金滑板；炭系滑板包括纯炭滑板和渗金属炭滑板，其中，纯金属滑板由于和接触导线材质相近，亲和力强，对接触导线磨耗十分严重，目前已淘汰；粉末冶金滑板分为铁基和铜基两种，铁基适用于钢铝接触导线，铜基适合于铜接触导线，粉末冶金滑板机械强度高，抗冲击性能较好，电阻率低，有一定的自润滑性，自身耐磨性好，使用寿命较长，一般可达3.5-7万公里，目前被广泛采用，但是，由于粉末冶金滑板的基材仍是金属体，与接触导线材质类似，粉末冶金滑板对接触导线磨耗仍十分严重；纯炭滑板的最大优点是自润滑性能优良，对接触导线磨损小，炭滑板滑动时电磁噪声小，且耐高温，耐弧性强，不易和接触导线发生焊附现象，但是炭滑板机械强度低，耐冲击性差，运行中遇到导线硬点易折断和破碎，炭滑板固有电阻大，接触温度高，有可能引起导线过热氧化，加速导线磨耗；浸金属炭滑板具有纯炭滑板对导线磨耗小和耐弧性强的特点，同时导电性和机械强度比纯炭滑板均有所提高，但因金属的浸渍存在不均匀性，金属在碳基体中很难形成三维网络结构，故其导电导热性能、抗冲击能力仍然较差，相对强度较低，运行过程中容易出现掉块现象，容易导致弓网事故；钛硅碳(Ti3SiC2)陶瓷滑板既有类似于金属优良的导电、导热和容易加工的特性，又有类陶瓷材料高强度、耐高温、抗氧化等优点。但目前制备Ti3SiC2块体材料的工艺，如自蔓延高温合成法、化学气相合成法以及热等静压法，存在纯度低、成本高以及构件尺寸较小等问题，实际应用不多；炭纤维复合材料滑板根据基体的不同，可以分为炭纤维增强树脂基材料滑板和炭纤维增强碳基复合材料滑板。通常所说的炭纤维增强树脂基材料滑板和炭纤维增强碳基复合材料滑板，均添加了铜粉、钛粉、铝粉或者它们之间的混合粉末对其导电导热性能进行改性。这类滑板与浸金属滑板相比，具有密度低、力学性能优异、不易断裂掉块，以及具有自润滑，对接触网线磨损小等优点。由于炭纤维与金属粉末比重差异较大，难以混合均匀，所制备的材料其金属粉末依然难以形成连续的网络结构，故对材料导电导热性能的改善作用也是有限的。因此，现有炭纤维复合材料滑板还是存在导电性能较差，磨损过程中局部磨损不均匀等因素，导致其不能在电力机车上广泛应用。

作为碳滑板上起导电作用的碳滑条，其导电性能直接与碳滑条本身的电阻率密切相关。碳滑条的电阻率越小，导电性能越好。为确保电力机车的安全和可靠，金属型碳滑条应具备低电阻率、高热容量。在列车高速运行过程中，由于网线的振动，碳滑条经常受到电网的冲击，特别是在经过电网的“硬点”时，受电弓滑板上的碳滑条承受的冲击更为严重，有时甚至出现将碳滑板直接冲断的现象，直接影响了列车运行的安全性和可靠性。为此，受电弓碳滑条必须具备优良的机械性能，特别是高的抗冲击韧性。