集电用碳纤维增加碳复合材料及其制备方法技术

一种集电用碳纤维增强碳复合材料，以镀铜碳粉末为基体材料，采用短碳纤维作为增强剂，采用热固性树脂作为粘结剂，经湿态混合或干态混合后进行冷压和（或）热压成型，得到的复合材料可以用于电力机车受电弓滑板、无轨电车受电滑块和其他集电的使用场合。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种新型的集电用碳纤维增强碳复合材料，可以应用于电力机车受电弓滑板、无轨电车受电滑块和其他集电的使用场合，属化学部复合材料
目前在集电方面，使用较多的材料主要有金属材料、粉末冶金材料和碳质材料等。金属集电材料采用铜、钢、铝等制成，具有强度高、韧性好、耐磨性能好、电阻率小等优等，但其耐电弧性能差，对摩擦副材料的磨损太大。目前这类金属集电材料仅适用于强度特别高的应用场合。粉末冶金集电材料主要采用铜基粉或铁基粉为基体，并加其他金属粉和非金属粉压制烧结而成，它机械强度高、韧性好、抗冲击性强，使用中断裂、掉块、偏磨现象很少，但是它对铜摩擦副的磨损非常严重，而且在使用中易发生电弧，不但增大了机械磨损和电弧磨损，还干扰无线电信号。碳质集电材料润滑性能、减磨性能以及耐电弧性能好，重量轻、噪音小，在与摩擦副接触时在摩擦副上形成一层碳膜，大大改善了对摩擦副的磨损。同时，它具有良好的接触稳定性，对无线电及电视的干扰极小，但是碳质材料的耐磨性能差、机械强度低、易脆、易掉块和断裂，使用寿命低，同时碳质材料的固有电阻大、接触压降较高，还因生产中各种因素的波动，使碳质集电材料性能不均匀。从检索资料来看，八十年代以来研制了一种新型集电材料浸金属碳。这是将碳基料在高温高压下浸渍金属，一些金属渗入到碳材料的气孔中，在碳中构成细密的网状结构。这种材料的致密性好，其强度、韧性和耐磨性比基体碳好，热稳定性好，热膨胀率较低，导热率和导电率较高，对导线不熔焊，耐弧性高，接触电阻小。但是，这种材料制造工艺复杂，成本较高，对铜的磨损较大，而且抗冲击性能较差。还有一种日本专利登载的碳-金属复合材料滑动集电材料，这种复合材料以金属纤维、金属粉末、金属丝网或它们的混合物增强碳基体，采用适当的混料方式将增强剂均匀的分布子基体之中，然后进行冷压或热压，再经过高温烧结后得到复合材料。这种材料的机械性能和导电性能都比较好，但如果出现增强剂的损伤，复合材料的导电性能会严重恶化，而且由于金属在碳基体中以比较大的尺寸分布，对铜的磨损比较严重。本专利技术的目的就在于针对现有技术中的缺陷，研究提出一种新型的集电复合材料，主要针对铜摩擦副，使这种复合材料能够在保持碳质材料优良的摩擦磨损性能的基础上，提高其机械性能和导电性能。本专利技术的技术解决方案为以镀铜碳材料粉末为基体，采用短碳纤维作为增强剂，采用热固性树脂作为粘结剂，采用湿态混合或干态混合的方法，将原料充分混合，然后进行冷压和(或)热压，得到所需的复合材料。本专利技术所使用的镀铜碳粉末基体材料包括镀铜石墨粉和镀铜焦炭粉，镀铜粉末的铜含量在20％-80％，可根据需要进行调整。镀铜粉末的粒度小于0.2mm。碳纤维增强剂采用长度小于5mm、直径小于等于20μm的碳纤维，其重量百分比为1-25％；粘结剂使用热固性树脂，如酚醛树脂，其用量为3-25％。原料的混合根据粘结剂加入状态的不同可分为湿态混合和干态混合。混合过程必须保证各个原料组分之间均匀混合。复合材料的成型使用冷压和(或)热压工艺。采用冷压还是采用热压，或者采用冷压加热压，可以根据实际需要而定。冷压压力大于等于150MPa，时间大于等于30s。冷压成型后可根据材料的使用要求确定是否浸渍树脂，浸渍树脂可提高复合材料的致密度和机械性能，浸渍树脂的压力大于等于0.3MPa，时间大于等于1小时。热压压力不小于100MPa，温度50-300℃，保持压力时间大于等于60s。热压以后可根据需要对材料进行浸渍树脂处理和烧结处理。烧结处理温度50-300℃，时间大于等于5小时。下面通过几个实施例来进一步说明本专利技术的
技术实现思路
。实施例1使用10％碳纤维，5％酚醛树脂和固化剂，其余为镀铜碳质粉末(含30％铜)，采用干态混料方式，在350MPa的压力下冷压5分钟，然后在170℃的温度下烧结30小时。得到的复合材料的电阻率为5.7μΩm，肖氏硬度48，抗压强度70MPa。这种材料可用来制造电触点等。实施例2使用2％碳纤维，10％酚醛树脂和固化剂，其余为镀铜碳质粉末(含80％铜)，采用干态混料方式，在200MPa的压力和170℃的温度下热压5分钟。这种复合材料的电阻率为1.75μΩm，肖氏硬度70，抗压强度85MPa。这种材料可用来制造行车用集电滑轮、滑块等。实施例3使用5％碳纤维，22％酚醛树脂和固化剂，其余为镀铜碳质粉末(含55％铜)，采用湿态混料方式，在245MPa的压力和180℃的温度下热压10分钟。材料的电阻率为15μΩm，肖氏硬度107，抗压强度134MPa。这种材料可用来制造无轨电车用集电滑块等。实施例4使用10％碳纤维，15％酚醛树脂和固化剂，其余为镀铜碳质粉末(含60％铜)，采用湿态混料方式，首先在270MPa的压力下冷压1.5分钟，然后在270MPa的压力和180℃的温度下热压7分钟，最后在150℃的温度下烧结20小时。得到的复合材料电阻率为5.8μΩm，抗压强度123MPa，夏氏冲击值为0.44J/cm2。这种材料可用来制造电力机车用受电弓滑板等。本专利技术制备的复合材料具有优异的摩擦磨损性能，对铜摩擦副的磨损程度之小是碳质集电材料所不能达到的，而且与碳质集电材料相比，导电性能和机械性能有了明显提高。使用这种复合材料可以制造综合性能良好的集电零部件。权利要求1.一种集电用碳纤维增强碳复合材料，其特征在于以铜含量为20％-80％的镀铜碳粉末为基体材料，采用重量百分比为1-25％的短碳纤维为增强剂，采用用量为3-25％的热固性树脂作为粘结剂。2.一种如权利要求1所说的集电用碳纤维增强碳复合材料的制造方法，其特征在于将原料湿态混合或干态混合后，使用冷压和(或)热压成型，冷压压力大于等于150MPa，保持时间大于等于30s，热压压力不小于100MPa，温度50-300℃，保持压力时间大于等于60s。3.一种如权利要求1所说的集电用碳纤维增强碳复合材料，其特征在于所说的镀铜碳粉末包括镀铜石墨粉和镀铜焦炭粉，镀铜粉末的粒度小于0.2mm，短碳纤维采用长度小于5mm，直径小于等于20μm的碳纤维，热固性树脂采用酚醛树脂。4.一种如权利要求2所说的集电用碳纤维增强碳复合材料的制造方法，其特征在于冷压以后再浸渍树脂，其压力大于等于0.3MPa，时间大于等于1小时。5.一种如权利要求2所说的集电用碳纤维增强碳复合材料的制造方法，其特征在于热压以后再进行烧结处理，其温度为50-300℃，时间大于等于5小时。全文摘要一种集电用碳纤维增强碳复合材料,以镀铜碳粉末为基体材料,采用短碳纤维作为增强剂,采用热固性树脂作为粘结剂,经湿态混合或干态混合后进行冷压和(或)热压成型,得到的复合材料可以用于电力机车受电弓滑板、无轨电车受电滑块和其他集电的使用场合。文档编号F16D69/02GK1184794SQ9710664公开日1998年6月17日 申请日期1997年10月7日 优先权日1997年10月7日专利技术者吴渝英, 阎兆旺, 张国定, 谢国宏, 高强, 余敏东 申请人:宝山钢铁(集团)公司, 上海交通大学 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集电用碳纤维增强碳复合材料，其特征在于以铜含量为２０％－８０％的镀铜碳粉末为基体材料，采用重量百分比为１－２５％的短碳纤维为增强剂，采用用量为３－２５％的热固性树脂作为粘结剂。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴渝英，阎兆旺，张国定，谢国宏，高强，余敏东，
申请(专利权)人：宝山钢铁铁股份有限公司，上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]