[发明专利]一种电力机车受电弓滑板用C（F）/Cu复合材料

说明书

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种电力机车受电弓滑板用C（F）/Cu复合材料。

背景技术

受电弓滑板（简称滑板）是电力机车从接触网获取动力的重要集电受流元件。电力机车受电弓滑板主要经历了纯金属滑板(铜滑板、软钢滑板)、纯碳滑板、粉末冶金滑板(铁基和铜基)、浸金属碳滑板、复合型滑板、金属基或非金属基复合材料滑板的发展历程。由于随着铁路电气化和高速化的不断发展，对滑板材料的要求不断地提高，滑板的发展趋势将以碳纤维滑板、金属纤维滑板、带有自润滑和它润滑功能的金属基复合材料(如铜/碳复合材料)、非金属基复合材料(如碳基复合材料)取代碳板和粉末冶金滑板为主，而铜/碳基复合材料是今后电力机车滑动集电材料的主要发展方向。但是国内外在C(F)/Cu复合材料研究方面仍存在很多实际应用上的问题尚未得到满意的解决，主要是由于其复合界面只能机械互锁，结合强度低，当承受载荷或冲击时往往造成增强体的拔出、剥离或脱落。而且由于这类滑动导电材料在使用过程中，除了受到机械力和摩擦力的作用以外，还有焦耳热、电弧的灼烧以及因电流极性而产生的材料转移，因此，通常要求材料具有良好的导电性、高耐磨性和良好的力学强度。如何在保持较高电导率水平的前提下，大幅度地提高强度、硬度和耐磨性的问题已成为铜基滑板复合材料研发的中心任务。

发明内容

为了解决已有技术存在的问题，提供强度，导电性和减摩自润滑性能良好配合的一种电力机车受电弓滑板用C（F）/Cu复合材料。

本发明的电力机车受电弓滑板用C（F）/Cu复合材料的配方设计科学，采用新型的自行设计和制造的三维摆动式高能球磨机进行铜粉和石墨粉的机械合金化，并采用碳纤维表面合金化进行制备。制得的复合材料通过SPS烧结技术制备电力机车受电弓滑板，提高了电力机车受电弓滑板中的滑复合材料的界面结合强度，得到了强度，导电性和减摩自润滑性能协同配合的一种电力机车受电弓滑板。

本发明的一种电力机车受电弓滑板用C（F）/Cu复合材料，其组分及重量百分比如下：

Cu：72%-81.6%；

C：3%-3.4%；

CF：15%-25%；

所述的Cu为电解铜粉，优选平均粒度为300目，密度为8.96g/cm³。

所述的C为鳞片状石墨粉，优选平均粒度25μm，其密度为2.09-2.23g/cm³。

所述的CF为表面镀铜层厚度为30-40μm的碳纤维，优选碳纤维横截面为马蹄形的碳纤维，平均直径为7μm，密度为1.76g/cm³，含碳量≥93%，抗拉强度≥3.0GPa，弹性模量210-240GPa，伸长率≥1.5%。

本发明的一种电力机车受电弓滑板用C（F）/Cu复合材料的制法，步骤和条件如下：

（1）铜粉和石墨粉的机械合金化制备：按照配比，在冲氩气保护的手套箱中，将所述的铜粉与石墨混合粉末装入自行设计和制造的三维摆动式高能球磨机的球磨罐中，按丙酮的体积mL与石墨粉质量g的比为0.2：100加入丙酮，丙酮作为防黏剂，然后每3h加入一次，球料比4:1，转速500r/min,球磨24h，得到铜粉和石墨粉的机械合金化粉末，其粒度为1-2μm；

所述的机械合金化(MechanicalAlloying，简称MA)是指金属或合金粉末在高能球磨机中通过粉末颗粒与磨球之间长时间激烈地冲击、碰撞，使粉末颗粒反复产生冷焊、断裂，导致粉末颗粒中原子扩散，从而获得合金化粉末的一种粉末制备技术。

（2）碳纤维镀铜：采用化学镀预处理和电镀铜结合的复合镀方法使碳纤维表面覆盖铜镀层，碳纤维首先在80℃的质量分数为20%的NaOH溶液中进行脱胶处理10min，然后用清水洗净；水洗后的碳纤维放在80℃的体积分数为20%的HNO₃溶液中进行粗化处理10min，然后水洗，吹干；用胶带将预处理后的碳纤维分散粘贴在纯铜片上作阴极，纯铜片作阳极，在配制的电镀液中，电流密度为3A/dm²，电镀时间为1h，最终得到镀层均匀、致密、颗粒细小、厚度为30-40μm的镀铜碳纤维；将镀铜后的碳纤维剪至1-2mm；

所用的电镀液的配制：在反应器中加入蒸馏水，加热到50℃；再按蒸馏水与CuSO₄·5H₂O的质量比为1000：220-240加入CuSO₄·5H₂O，不断搅拌直到完全溶解；