專利名稱：受流器滑塊用炭基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適于導(dǎo)電軌受電的地鐵和輕軌車輛受流器滑塊用炭基復(fù)合材料 及其制備方法，屬于炭基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
城市軌道車輛受電方式有兩種架空接觸網(wǎng)和導(dǎo)電軌。導(dǎo)電軌受電系統(tǒng)因其易于 安裝、檢修方便、壽命長(zhǎng)、環(huán)境影響小，正在受到越來越廣泛的重視和應(yīng)用。受流器滑塊是導(dǎo) 電軌受電系統(tǒng)的關(guān)鍵集電元件，長(zhǎng)期與導(dǎo)電軌道滑動(dòng)接觸，所以要求滑塊材料不僅具有良 好的導(dǎo)電性能，還要有較高的機(jī)械強(qiáng)度，較小的摩擦系數(shù)，此外針對(duì)其更換頻繁，使用率高 的特點(diǎn)，該滑塊材料還應(yīng)具有簡(jiǎn)單的成型工藝和低廉的成本。早期使用的受流器滑塊為黃銅材料，導(dǎo)電軌為低炭鋼軌，如北京、天津早期的地 鐵。黃銅材料的特性是導(dǎo)電性好，對(duì)導(dǎo)電軌磨耗小，但是自身耐磨性較差，該滑塊使用壽命 不超過3個(gè)月，2個(gè)車輛段每年僅此項(xiàng)開支就要超過100萬元。新建設(shè)的線路多采用高導(dǎo)電 性的鋼鋁復(fù)合軌(如正在建設(shè)中的北京地鐵五號(hào)線、四號(hào)線，廣州地鐵四號(hào)線、五號(hào)線及天 津地鐵一號(hào)線)，而目前專門用于鋼鋁復(fù)合軌的受流器滑塊炭基復(fù)合材料未見相關(guān)報(bào)道。與導(dǎo)電軌受電相關(guān)的技術(shù)有公開號(hào)為CN2598823Y的專利《受流器接觸板》，為 解決導(dǎo)電軌和接觸板自身磨損問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)開有螺桿安裝孔中部固裝石墨滑塊的支承 體，該發(fā)明與原銅質(zhì)滑塊相比導(dǎo)電性好，耐磨性提高，但該發(fā)明使用的滑塊材料為純石墨制 品，機(jī)械強(qiáng)度較差，使用中易出現(xiàn)斷裂、掉塊現(xiàn)象；公開號(hào)為CN1932067A的發(fā)明專利《一種 銅基石墨與鋯粉末冶金復(fù)合材料及其制備方法和用途》，公開了一種用于磁浮列車受流器 受電靴滑塊的粉末冶金復(fù)合材料制備方法，即將基體銅與鋯粉先燒結(jié)成形后粉碎，再與其 它添加劑經(jīng)過初壓、燒結(jié)、復(fù)壓后制得復(fù)合材料，該方法制備的復(fù)合材料有較高的機(jī)械強(qiáng)度 和良好的導(dǎo)電性能，但摩擦系數(shù)偏大。目前涉及接觸網(wǎng)受電弓滑板材料制備技術(shù)的文獻(xiàn)和專利較多。公知的受電弓滑 板材料制備方法主要有純金屬滑板、粉末冶金滑板、純炭滑板及浸金屬炭滑板，以上方法制 備的滑板材料綜合性能不是很好。為了改進(jìn)受電弓滑板材料綜合性能，公開號(hào)CN1178745A 的專利提出了一種電力機(jī)車用炭-炭復(fù)合材料受電弓滑板材料制備方法以鍍銅炭粉為 基體，短炭纖維為增強(qiáng)劑，熱固性樹脂為粘結(jié)劑，濕態(tài)或干態(tài)混合后冷壓或熱壓成型，該發(fā) 明制備的受電弓滑板有良好的導(dǎo)電性能；公開號(hào)CN1719549A的專利提出了一種混雜纖維 增強(qiáng)復(fù)合材料受電弓滑板制備方法以金屬網(wǎng)和混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為基材并使之相 互層間分布，該發(fā)明制備的受電弓滑板有良好的機(jī)械性能、導(dǎo)電性能，磨耗也較小；公開號(hào) CN1793408A的專利提出了一種電力機(jī)車受電弓滑板材料制備方法以銅為基體，鍍銅炭材 料為減摩劑，鍍銅炭纖維為增強(qiáng)劑，鉛、鐵、鉻、鑭金屬粉為添加劑，將所有組分混合模壓成 型后燒結(jié)，該發(fā)明制備的受電弓滑板綜合性能較好。上述受電弓滑板材料制備方法都是建 立在接觸網(wǎng)受電基礎(chǔ)上，這種受電方式下與受電弓滑板形成摩擦副的是銅接觸網(wǎng)，而采用 導(dǎo)電軌受電的軌道車輛，受流器滑塊與鋼鋁復(fù)合軌形成摩擦副。顯然由于受電方式不同，摩擦副材料不同，上述受電弓滑板材料不適合直接用作受流器滑塊材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述受流器滑塊材料的不足，提出一種新型受流器滑塊用炭 基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明的受流器滑塊用炭基復(fù)合材料，具體組成為以石墨、活性炭?jī)烧叩幕旌衔?作為基體，兩者含量占總組分質(zhì)量百分比分別為15-30%和20-30%;以銅粉作為導(dǎo)電組分， 導(dǎo)電組分含量在總組分中所占的質(zhì)量百分比為15-35% ；以固態(tài)酚醛樹脂為粘結(jié)劑，其在總 組分中所占的質(zhì)量百分比為10-20% ；以硅粉、玻璃粉、氧化鋁、鋁粉、錫粉、鈷粉和二硫化 鉬的混合物作為改性劑，在總組分中所占的質(zhì)量百分比分別為1-6%，1-6%，1-6%，2-8%， 2-8%，1-2%和1_2%。將上述物料采用干態(tài)混合的方法，將原料充分混合后進(jìn)行熱壓成型， 然后在氮?dú)鈿夥罩谐禾炕?，然后在真空爐中壓力100-150Pa和溫度25-50°C條件下滲積 硅溶膠，最后得到炭基滑塊材料。其中，銅粉粒度小于200目，石墨和活性炭粒度小于200目；硅粉、玻璃粉、氧化鋁、 鋁粉、錫粉、鈷粉和二硫化鉬的粒度小于200目。上述受流器滑塊用炭基復(fù)合材料制備方法 包括以下幾個(gè)步驟(1)混料先將石墨、活性炭和固態(tài)酚醛樹脂三者均勻混合，同時(shí)另將硅粉、玻璃 粉、氧化鋁、鋁粉、錫粉、鈷粉、銅粉和二硫化鉬粉末混合均勻，然后將兩組混合物在球磨機(jī) 中攪拌混合，球磨時(shí)間10-20h制成模壓粉料；(2)熱壓成型將步驟(1)制得的模壓粉料放入模具中，在熱壓成型機(jī)上分四個(gè)階 段加熱加壓固化成型第一階段溫度60_80°C，壓力10_50MPa，保壓時(shí)間30min第二階段溫度100-110°C，壓力 200-250MPa，保壓時(shí)間30min第三階段溫度180_250°C，壓力200_250MPa，保壓時(shí)間4_8h第四階段溫度350-450°C，壓力200_220MPa，保壓時(shí)間10_15h ；(3)燒結(jié)對(duì)步驟⑵所壓制的試樣在真空炭化爐中進(jìn)行燒結(jié)處理，處理溫度為 700-900°C，升溫速度為1.5°C/min，燒結(jié)壓力為1個(gè)大氣壓；燒結(jié)氣氛為氮?dú)?，保溫時(shí)間 4-10h ；(4)將步驟(3)燒結(jié)后的樣品放在1. 8mol/L的硅溶膠溶液中，之后一起放入真空 爐，滲積壓力100-150Pa，溫度為25-50°C。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及功效在于依照本發(fā)明方法制備的受流器滑塊用炭基復(fù)合材料， 具有金屬導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能有效地提高材料的導(dǎo)電性能；石墨既作為基體，又起到減摩作 用，制備的滑塊材料摩擦系數(shù)小，改性成分可以改善金屬基體與炭基體的界面結(jié)合，提高炭 基滑塊材料的機(jī)械性能。同時(shí)本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，適于進(jìn)行大批量生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的受流器滑塊用炭基復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的受流器滑塊用炭基復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)圖。
單位說明
0C 攝氏度
1/11:攝氏度/小時(shí)
MPa 兆帕
g/cm3:克/立方厘米
KJ/m2 千焦/平方米
Ω · m 歐 米
mm 毫米
Wt % 質(zhì)量百分比
min 分鐘
h 小時(shí)
mol/L 摩爾每升
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合幾個(gè)具體實(shí)例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。實(shí)施例1 (1)混料先將石墨、活性炭和固態(tài)酚醛樹脂按質(zhì)量比為20%，25%和10%均勻混 合，同時(shí)另將硅粉、玻璃粉、氧化鋁、鋁粉、錫粉、鈷粉、銅粉和二硫化鉬粉末按質(zhì)量比為5%， 3%，3%，3%，3%，1%，25%和2%混合均勻，然后將兩組混合物在球磨機(jī)中攪拌混合，球磨 時(shí)間IOh制成模壓粉料；(2)熱壓成型將步驟⑴制得的模壓粉料放入模具中，在熱壓成型機(jī)上分四個(gè)階 段加熱加壓固化成型第一階段溫度80°C，壓力50MPa，保壓時(shí)間30min第二階段溫度100°C，壓力200MPa，保壓時(shí)間30min第三階段溫度200°C，壓力200MPa，保壓時(shí)間4_8h第四階段溫度350°C，壓力220MPa，保壓時(shí)間10_15h ；(3)燒結(jié)對(duì)步驟⑵所壓制的試樣在真空炭化爐中進(jìn)行燒結(jié)處理，處理溫度為 700°C，升溫速度為1. 5°C /min，燒結(jié)壓力為1個(gè)大氣壓；燒結(jié)氣氛為氮?dú)?，保溫時(shí)間4h ；(4)將步驟(3)燒結(jié)后的樣品放在1. 8mol/L的硅溶膠溶液中，之后一起放入真空 爐，滲積壓力lOOPa，溫度為25°C。制得的滑塊材料密度為2. 14g/cm3,電阻率為7. 6X 10_6Ω · m，彎曲強(qiáng)度為68MPa， 壓縮強(qiáng)度為187MPa，沖擊強(qiáng)度為8. 16KJ/m2，摩擦系數(shù)為0. 17，金相照片如圖1所示。實(shí)施例2 (1)混料先將石墨、活性炭和固態(tài)酚醛樹脂按質(zhì)量比為20%，25%和10%均勻混 合，同時(shí)另將硅粉、玻璃粉、氧化鋁、鋁粉、錫粉、鈷粉、銅粉和二硫化鉬粉末按質(zhì)量比為5%， 1%，1%，5%，5%，1%，25%和2%混合均勻，然后將兩組混合物在球磨機(jī)中攪拌混合，球磨 時(shí)間IOh制成模壓粉料；(2)熱壓成型將步驟(1)制得的模壓粉料放入模具中，在熱壓成型機(jī)上分四個(gè)階 段加熱加壓固化成型
第一階段溫度80°C，壓力50MPa，保壓時(shí)間30min第二階段溫度100°C，壓力200MPa，保壓時(shí)間30min第三階段溫度200°C，壓力200MPa，保壓時(shí)間4_8h第四階段溫度350°C，壓力220MPa，保壓時(shí)間10_15h ；(3)燒結(jié)對(duì)步驟(2)所壓制的試樣在真空炭化爐中進(jìn)行燒結(jié)處理，處理溫度為 700°C，升溫速度為1. 5°C /min，燒結(jié)壓力為1個(gè)大氣壓；燒結(jié)氣氛為氮?dú)猓貢r(shí)間4h ；(4)將步驟(3)燒結(jié)后的樣品放在1. 8mol/L的硅溶膠溶液中，之后一起放入真空 爐，滲積壓力lOOPa，溫度為25°C。制得的滑塊材料密度為2. 19g/cm3,電阻率為6. 5 X IO"6 Ω · m，彎曲強(qiáng)度為72MPa， 壓縮強(qiáng)度為192MPa，沖擊強(qiáng)度為9. 34KJ/m2，摩擦系數(shù)為0. 15，金相照片如圖2所示。本發(fā)明制備的滑塊材料綜合性能優(yōu)良，制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，適于大批量生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.一種受流器滑塊用炭基復(fù)合材料，其特征在于該材料是以石墨、活性炭?jī)烧叩幕?合物作為基體，兩者含量占總組分質(zhì)量百分比分別為15-30%和20-30% ；以銅粉作為導(dǎo)電 組分，導(dǎo)電組分含量在總組分中所占的質(zhì)量百分比為15-35% ；以固態(tài)酚醛樹脂為粘結(jié)劑， 其在總組分中所占的質(zhì)量百分比為10-20% ；以硅粉、玻璃粉、氧化鋁、鋁粉、錫粉、鈷粉和 二硫化鉬的混合物作為改性劑，在總組分中所占的質(zhì)量百分比分別為1_6%，1-6%，1-6%， 2-8%，2-8%，1-2% 和 1-2%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道車輛用炭基滑塊材料，其特征在于所述銅粉粒度小于 200目，石墨和活性炭粒度小于200目；硅粉、玻璃粉、氧化鋁、鋁粉、錫粉、鈷粉和二硫化鉬 的粒度小于200目。
3.—種軌道車輛用炭基滑塊材料的制備工藝，其特征在于該工藝包括以下幾個(gè)步驟(1)混料先將石墨、活性炭和固態(tài)酚醛樹脂三者均勻混合，同時(shí)另將硅粉、玻璃粉、氧 化鋁、鋁粉、錫粉、鈷粉、銅粉和二硫化鉬粉末混合均勻，然后將兩組混合物在球磨機(jī)中攪拌 混合，球磨時(shí)間10_20h制成模壓粉料；(2)熱壓成型將步驟(1)制得的模壓粉料放入模具中，在熱壓成型機(jī)上分四個(gè)階段加 熱加壓固化成型第一階段溫度60-80°C，壓力10-50MPa，保壓時(shí)間30min ；第二階段溫度100-110°C，壓力200-250MPa，保壓時(shí)間30min ；第三階段溫度180-250°C，壓力200-250MPa，保壓時(shí)間4_8h ；第四階段溫度350-450°C，壓力200-220MPa，保壓時(shí)間10_15h ；(3)燒結(jié)對(duì)步驟(2)所壓制的試樣在真空炭化爐中進(jìn)行燒結(jié)處理，處理溫度為 700-900°C，升溫速度為1.5°C/min，燒結(jié)壓力為1個(gè)大氣壓；燒結(jié)氣氛為氮?dú)?，保溫時(shí)間 4-10h ；(4)將步驟(3)燒結(jié)后的樣品放在1.8mol/L的硅溶膠溶液中，之后一起放入真空爐，滲 積壓力100-150Pa，溫度為25-50°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種受流器滑塊用炭基復(fù)合材料，其特征在于該材料是以石墨、活性炭?jī)烧叩幕旌衔镒鳛榛w，兩者含量占總組分質(zhì)量百分比分別為15-30％和20-30％；以銅粉作為導(dǎo)電組分，導(dǎo)電組分含量在總組分中所占的質(zhì)量百分比為15-35％；以固態(tài)酚醛樹脂為粘結(jié)劑，其在總組分中所占的質(zhì)量百分比為10-20％；以硅粉、玻璃粉、氧化鋁、鋁粉、錫粉、鈷粉和二硫化鉬的混合物作為改性劑，在總組分中所占的質(zhì)量百分比分別為1-6％，1-6％，1-6％，2-8％，2-8％，1-2％和1-2％。本發(fā)明的材料具有金屬導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能有效地提高材料的導(dǎo)電性能；石墨既作為基體，又起到減摩作用，制備的滑塊材料摩擦系數(shù)小，改性成分可以改善金屬基體與炭基體的界面結(jié)合，提高炭基滑塊材料的機(jī)械性能。
文檔編號(hào)C22C1/05GK102002621SQ20101050629
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月9日
發(fā)明者李進(jìn)松, 王宇清, 羅瑞盈, 郝名揚(yáng) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)