[发明专利]一种受电弓滑板炭/炭复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种炭材料的制备方法，特别涉及一种受电弓滑板炭/炭复合材料的制备方法。

背景技术

电力机车的滑板与接触网导线不断产生电冲击与机械冲击磨耗，是电力机车中更换最频繁，消耗量最大的部件，因此高速电力机车的发展对滑板材料提出了非常苛刻的要求：1)良好的导电性能；2)优良的摩擦磨损性能和自润滑性，对输电导线磨损小，同时又要求滑板自身磨耗小；3)机械强度高，能经受一定振动和冲击载荷且不损坏；5)轻量化。

炭/炭复合材料是一种用高强炭纤维增强炭基体的新型纯炭复合材料，质轻、强度高和环境服役性好等特殊优势赋予其广泛的应用领域。采用CVI法制备的炭/炭复合材料已在高速电力机车受电弓滑板上试用成功，整体性能大幅度提高，但这种制备工艺周期较长、成本较高和导电性较差(电阻率为37.3μΩ·m)等因素也导致其难以大规模应用。液相浸渍-炭化是一种低成本制备炭/炭复合材料的方法，其缺点是酚醛树脂浸渍剂炭化形成的酚醛树脂炭(简称酚醛炭)硬度较大且难石墨化炭，降低了材料的导电性能和摩擦学性能。

引入催化剂对热固性树脂炭进行催化石墨化，是提高酚醛树脂炭石墨化度的一种有效方法。李崇俊等报道向树脂炭微粉中加入单质硼作为催化剂，在石墨化温度为2100℃、催化剂硼用量小于5.0wt％工艺条件下，树脂炭基炭/炭复合材料的石墨化度达到了82％，而无催化剂的炭/炭复合材料在2500℃下石墨化度才达到71％。这表明硼在降低石墨化温度和提高石墨化度方面均有明显作用。但目前由于所采用的催化剂分布不均匀，因此将其应用于制备滑板炭/炭复合材料的工艺中仍受到很大限制。同时目前并没有完整的采用液相浸渍-炭化方法制备受电弓滑板炭/炭复合材料工艺的相关研究。

发明内容

本发明旨在提供一种生产成本低、生产周期短、工艺简单、适于产业化的制备受电弓滑板炭/炭复合材料的方法，并且采用该方法制备的受电弓滑板炭/炭复合材料摩擦性能和导电性能也较高。

本发明采用以下方案实现：

受电弓滑板炭/炭复合材料的制备方法，包括以下工序，

(A)向残炭率在55％以上的热固性树脂液中加入硼类催化剂和/或有机分散剂。其中硼元素质量∶树脂质量为(0.5～1)∶100，分散剂使用比例为：100克树脂加入0～50ml分散剂；

硼类催化剂可以是硼酸或硼酸有机酯类中的一种，常用的硼酸有机酯有：硼酸三乙酯和硼酸三甲酯；有机分散剂选自液体醇类或液体醛类中的一种，常用的液体醇类有乙醇、丙醇和乙二醇；常用液体醛类则包括水杨醛和苯甲醛；残炭率在55％以上热固性树脂作为基体炭原料，可以是氨酚醛树脂、硼酚醛树脂和呋喃树脂。

(B)将炭纤维编织体浸渍于上述树脂体系中，浸渍压力为1.5～2.0MPa，温度为75～85℃，浸渍时间可调，一般为2～3h；

为提高滑板材料的力学性能，作为增强体的炭纤维编织体选自下述材料中的一种：针刺无纬布准三维整体毡、无纬布网胎混合整体毡、三向炭纤维编织整体毡。

(C)将上述浸渍了树脂后的炭纤维编织体进行加压固化，固化压力为1.5～2.0MPa，固化温度为160～180℃，保温时间可调，一般为2～3h；

(D)将上述固化后的样品在隔绝空气条件下，进行炭化处理，炭化处理温度为900～1000℃，保温时间可调，一般为2～3h；

(E)重复B-D三个工序至材料密度不低于1.60g/cm³；由于经过这道反复浸渍-炭化处理流程之后，材料密度不断增加，因此称其为浸渍-炭化增密流程。

(F)之后将经过上述反复浸渍-炭化处理的材料进行石墨化处理，温度为2000～2400℃，保温时间可调，一般为2～4h，即制得受电弓滑板炭/炭复合材料。

与现有的制备方法相比，本发明具有以下优点：

1.由于在树脂中加入硼催化剂，并选用合适的分散剂，一是可以使催化剂均匀地分散于树脂中；二是能降低树脂的粘度或者能提高树脂的残炭率，提高树脂的后续浸渍-炭化增密效率。缩减了工艺的流程和生产周期。

2.根据材料不同的性能要求，可以通过调节催化剂的加入量、催化石墨化的反应温度和保温时间来控制材料的性能和生产成本。