一種電力機(jī)車受電弓滑板用C（F）/Cu復(fù)合材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電力機(jī)車受電弓滑板用C(F)/Cu復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002]受電弓滑板(簡(jiǎn)稱滑板)是電力機(jī)車從接觸網(wǎng)獲取動(dòng)力的重要集電受流元件。電力機(jī)車受電弓滑板主要經(jīng)歷了純金屬滑板(銅滑板、軟鋼滑板)、純碳滑板、粉末冶金滑板(鐵基和銅基)、浸金屬碳滑板、復(fù)合型滑板、金屬基或非金屬基復(fù)合材料滑板的發(fā)展歷程。由于隨著鐵路電氣化和高速化的不斷發(fā)展，對(duì)滑板材料的要求不斷地提高，滑板的發(fā)展趨勢(shì)將以碳纖維滑板、金屬纖維滑板、帶有自潤(rùn)滑和它潤(rùn)滑功能的金屬基復(fù)合材料(如銅/碳復(fù)合材料)、非金屬基復(fù)合材料(如碳基復(fù)合材料)取代碳板和粉末冶金滑板為主，而銅/碳基復(fù)合材料是今后電力機(jī)車滑動(dòng)集電材料的主要發(fā)展方向。但是國(guó)內(nèi)外在C(F)/Cu復(fù)合材料研究方面仍存在很多實(shí)際應(yīng)用上的問(wèn)題尚未得到滿意的解決，主要是由于其復(fù)合界面只能機(jī)械互鎖，結(jié)合強(qiáng)度低，當(dāng)承受載荷或沖擊時(shí)往往造成增強(qiáng)體的拔出、剝離或脫落。而且由于這類滑動(dòng)導(dǎo)電材料在使用過(guò)程中，除了受到機(jī)械力和摩擦力的作用以外，還有焦耳熱、電弧的灼燒以及因電流極性而產(chǎn)生的材料轉(zhuǎn)移，因此，通常要求材料具有良好的導(dǎo)電性、高耐磨性和良好的力學(xué)強(qiáng)度。如何在保持較高電導(dǎo)率水平的前提下，大幅度地提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性的問(wèn)題已成為銅基滑板復(fù)合材料研發(fā)的中心任務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決已有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供強(qiáng)度，導(dǎo)電性和減摩自潤(rùn)滑性能良好配合的一種電力機(jī)車受電弓滑板用C(F)/Cu復(fù)合材料。
[0004]本發(fā)明的電力機(jī)車受電弓滑板用C(F)/Cu復(fù)合材料的配方設(shè)計(jì)科學(xué)，采用新型的自行設(shè)計(jì)和制造的三維擺動(dòng)式高能球磨機(jī)進(jìn)行銅粉和石墨粉的機(jī)械合金化，并采用碳纖維表面合金化進(jìn)行制備。制得的復(fù)合材料通過(guò)SPS燒結(jié)技術(shù)制備電力機(jī)車受電弓滑板，提高了電力機(jī)車受電弓滑板中的滑復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度，得到了強(qiáng)度，導(dǎo)電性和減摩自潤(rùn)滑性能協(xié)同配合的一種電力機(jī)車受電弓滑板。
[0005]本發(fā)明的一種電力機(jī)車受電弓滑板用C(F)/Cu復(fù)合材料，其組分及重量百分比如下:
Cu:72%-81.6%；
C:3%-3.4%；
CF:15%-25%；
所述的Cu為電解銅粉，優(yōu)選平均粒度為300目，密度為8.96g/cm3。
[0006]所述的C為鱗片狀石墨粉，優(yōu)選平均粒度25μπι，其密度為2.09-2.23g/cm3。
[0007]所述的CF為表面鍍銅層厚度為30_40μπι的碳纖維，優(yōu)選碳纖維橫截面為馬蹄形的碳纖維，平均直徑為7μπι，密度為1.76g/cm3，含碳量之93%，抗拉強(qiáng)度之3.0GPa，彈性模量210-240GPa，伸長(zhǎng)率 2 1.5%。
[0008]本發(fā)明的一種電力機(jī)車受電弓滑板用C(F)/Cu復(fù)合材料的制法，步驟和條件如下
(I)銅粉和石墨粉的機(jī)械合金化制備:按照配比，在沖氬氣保護(hù)的手套箱中，將所述的銅粉與石墨混合粉末裝入自行設(shè)計(jì)和制造的三維擺動(dòng)式高能球磨機(jī)的球磨罐中，按丙酮的體積mL與石墨粉質(zhì)量g的比為0.2:100加入丙酮，丙酮作為防黏劑，然后每3h加入一次，球料比4:1，轉(zhuǎn)速500r/min,球磨24h，得到銅粉和石墨粉的機(jī)械合金化粉末，其粒度為1-2μηι;
所述的機(jī)械合金化(Mechanical Alloying，簡(jiǎn)稱MA)是指金屬或合金粉末在高能球磨機(jī)中通過(guò)粉末顆粒與磨球之間長(zhǎng)時(shí)間激烈地沖擊、碰撞，使粉末顆粒反復(fù)產(chǎn)生冷焊、斷裂，導(dǎo)致粉末顆粒中原子擴(kuò)散，從而獲得合金化粉末的一種粉末制備技術(shù)。
[0009](2)碳纖維鍍銅:采用化學(xué)鍍預(yù)處理和電鍍銅結(jié)合的復(fù)合鍍方法使碳纖維表面覆蓋銅鍍層，碳纖維首先在80°C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NaOH溶液中進(jìn)行脫膠處理lOmin，然后用清水洗凈；水洗后的碳纖維放在80°C的體積分?jǐn)?shù)為20%的HNO3溶液中進(jìn)行粗化處理1min，然后水洗，吹干；用膠帶將預(yù)處理后的碳纖維分散粘貼在純銅片上作陰極，純銅片作陽(yáng)極，在配制的電鍍液中，電流密度為3A/dm2，電鍍時(shí)間為Ih，最終得到鍍層均勻、致密、顆粒細(xì)小、厚度為30-40μπι的鍍銅碳纖維;將鍍銅后的碳纖維剪至1-2_;
所用的電鍍液的配制:在反應(yīng)器中加入蒸餾水，加熱到50 0C ;再按蒸餾水與CuSO4.5H20的質(zhì)量比為1000:220-240加入CuS04‘5H20，不斷攪拌直到完全溶解；
按蒸餾水的質(zhì)量g與濃H2SO4體積mL的比為1000:35向溶液中加入濃H2SO4 ；濃H2SO4的質(zhì)量濃度為98%;
按蒸餾水的質(zhì)量g與H2O2體積mL的比為1000:2再加入H2O2，攪拌1min，靜置Ih后，升溫到70 °C趕走H2O2;
按蒸餾水與活性碳的質(zhì)量比為1000:2加入活性碳，攪拌lh，靜止過(guò)濾；
用純鐵片做陰極，純銅片做陽(yáng)極，用小于0.0lmA的電流，對(duì)溶液進(jìn)行電解除雜24h;得到電鍍液。
[0010](3)混粉:按照配比，把銅和石墨合金化粉末與剪至l-2mm的鍍銅碳纖維混合均勻，得到電力機(jī)車受電弓滑板用C(F)/Cu復(fù)合材料，其粒度為1-2μπι;為了防止氧化，要將所述的復(fù)合材料防止氧化的儲(chǔ)存容器中。
[0011]用得到所述的電力機(jī)車受電弓滑板用C(F)/Cu復(fù)合材料制備電力機(jī)車受電弓滑板，步驟和條件如下:采用SPS燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行制備。將得到的電力機(jī)車受電弓滑板用C(F)/Cu復(fù)合材料混合均勻，裝入WC硬質(zhì)合金模具中，為方便起模，并且防止粉末被進(jìn)一步氧化，燒結(jié)過(guò)程中用石墨紙作為內(nèi)襯墊，然后置于SPS裝置中燒結(jié)成型，加熱速度150°C/min，加熱至燒結(jié)溫度7000C，保溫時(shí)間15min，單向最大壓力170MPa，燒結(jié)腔內(nèi)真空度為0.0094MPa，得到電力機(jī)車受電弓滑板。
[0012]下面介紹發(fā)明人自行設(shè)計(jì)和制造的三維擺動(dòng)式高能球磨機(jī)。所述的三維擺動(dòng)式高能球磨機(jī)的構(gòu)成如下:
電機(jī)安裝于電機(jī)支架上，利用變頻器改變輸出電壓的大小控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速;安裝板與底板之間安裝多個(gè)減震器，球磨罐架、從動(dòng)輪支架、電機(jī)支架均安裝于安裝板上;底板安裝可調(diào)平的多個(gè)可調(diào)底腳，多個(gè)可調(diào)底腳的底部均安裝在外罩的底上； 電機(jī)的主動(dòng)輪安裝于軸套上，主動(dòng)輪通過(guò)同步帶與從動(dòng)輪連接;兩個(gè)軸承座安裝于龍門式支架的兩個(gè)立架板上，從動(dòng)軸穿過(guò)并安裝在所述的兩個(gè)軸承座中的軸承中，從動(dòng)輪通過(guò)鍵與從動(dòng)軸連接并位于龍門式支架的兩個(gè)立架板中間；
兩個(gè)相同的球磨罐架的一端分別安裝內(nèi)部有軸承的軸承座，兩個(gè)相同的小臂的一端分別穿過(guò)并安裝在該軸承座的軸承中；兩個(gè)相同的小臂的另一端分別用銷軸通過(guò)孔安裝在從動(dòng)軸的兩端，兩個(gè)相同的小臂可以分別繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)小臂的中心線與從動(dòng)軸的軸心線之間的夾角α的大小，調(diào)整后用緊固螺釘緊固；兩個(gè)相同的球磨罐架的另一端分別固定安裝兩個(gè)相同的球磨罐；
電機(jī)的軸套帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)輪通過(guò)同步帶帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)軸帶動(dòng)兩個(gè)相同的小臂的另一端繞從動(dòng)軸的軸心線作圓錐角為2α的圓周運(yùn)動(dòng)；夾角α越大，小臂的另一端作圓周運(yùn)動(dòng)的圓周的半徑越大;球磨罐內(nèi)加入待加工材料和磨球。
[0013]有益效果:本發(fā)明的電力機(jī)車受電弓滑板用C(F)/Cu復(fù)合材料，配方科學(xué)合理，采用石墨作為固體潤(rùn)滑劑，以其良好的潤(rùn)滑性和抗熔焊性對(duì)基體銅起到保護(hù)作用;采用鍍銅碳纖維作為增強(qiáng)體，提高材料的強(qiáng)度。通過(guò)SPS燒結(jié)得到的材料性能好的電力機(jī)車受電弓滑板。使用發(fā)明人自行設(shè)計(jì)和制造的三維擺動(dòng)式高能球磨機(jī)得到了高質(zhì)量的銅粉和石墨合金化粉末。
[0014]用本發(fā)明得到的復(fù)合材料通過(guò)SPS燒結(jié)制成的電力機(jī)車受電弓滑板，經(jīng)檢測(cè)，密度為7.34g/cm3-7.41g/cm3 ；表面硬度為 139-154HB；電阻率為0.037-0.078μ Ω.m;摩擦系數(shù)為
0.12-0.24;抗壓強(qiáng)度300-380MPa;因此，該滑板具有較高的強(qiáng)度和較低的電阻率以及較低的摩擦系數(shù)，綜合性能優(yōu)良。目前，粉末冶金類受電弓滑板在高速化鐵路上應(yīng)用的典型代表是日本，其銅系粉末冶金滑板機(jī)電性能指標(biāo)為:電阻率0.16μΩ 沖擊韌性為lOJ/cm2，俄羅斯的銅系粉末冶金滑板機(jī)電性能指標(biāo)為:電阻率ΙΟμΩ 摩擦系數(shù)0.20。對(duì)比可知，該滑板綜合性能更加出色。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是三維擺動(dòng)式高能球磨機(jī)的主視圖。
[0016]圖2是三維擺動(dòng)式高能球磨機(jī)的俯視圖。
[0017]圖3是三維擺動(dòng)式高能球磨機(jī)的左視圖。
[0018]圖4是三維擺動(dòng)式高能球磨機(jī)的工作原理圖的主視圖。
[0019]圖5是三維擺動(dòng)式高能球磨機(jī)的工作原理圖的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]實(shí)施例1: 一種電力機(jī)車受電弓滑板用C(F)/Cu復(fù)合材料，其組分及重量百分比如下:Cu為72%;C為3%;CF為25%。所述的Cu為電解銅粉，平均粒度為300目，密度為8.96g/cm3。所述的C為鱗片狀石墨粉，平均粒度25μπι，其密度為2.09-2.23g/cm3。所述的CF為表面鍍銅層厚度為30-40μπι的碳纖維。所述碳纖維橫截面為馬蹄形碳纖維，平均直徑為7μπι，密度為1.76g/cm3，含碳量2 93%，抗拉強(qiáng)度2 3.06?&，彈性模量210_2406?&，伸長(zhǎng)率2 1.5%。
[0021]本發(fā)明的一種電力機(jī)車受電弓滑板用C(F)/Cu復(fù)合材料的制法，步驟和條件如下 (I)銅粉和石墨粉的機(jī)械合金化制備:按照配比，在沖氬氣保護(hù)的手套箱中，將所述的銅粉與石墨混合粉末裝入自行設(shè)計(jì)和制造的三維擺動(dòng)式高能球磨機(jī)的球磨罐中，按丙酮的體積mL與石墨粉質(zhì)量g的比為0.2:100加入丙酮，丙酮作為防黏劑，然后每3h加入一次，球料比4:1，轉(zhuǎn)速500r/min,球磨24h，得到銅粉和石墨粉的機(jī)械合金化粉末，其粒度為1-2μηι;
所述的機(jī)械合金化(Mechanical Alloying，簡(jiǎn)稱MA)是指金屬或合金粉末在高能球磨機(jī)中通過(guò)粉末顆粒與磨球之間長(zhǎng)時(shí)間激烈地沖擊、碰撞，使粉末顆粒反復(fù)產(chǎn)生冷焊、斷裂，導(dǎo)致粉末顆粒中原子擴(kuò)散，從而獲得合金化粉末的一種粉末制備技術(shù)。
[0022](2)碳纖維鍍銅:采用化學(xué)鍍預(yù)處理和電鍍銅結(jié)合的復(fù)合鍍方法使碳纖維表面覆蓋銅鍍層，碳纖維首先在80°C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NaOH溶液中進(jìn)行脫膠處理lOmin，然后用清水洗凈；水洗后的碳纖維放在80°C的體積分?jǐn)?shù)為20%的HNO3溶液中進(jìn)行粗化處理1min，然后水洗，吹干；用膠帶將預(yù)處理后的碳纖維分散粘貼在純銅片上作陰極，純銅片作陽(yáng)極，在配制的電鍍液中，電流密度為3A/dm2，電鍍時(shí)間為Ih