专利名称：：一种高强高密各向同性炭滑板的制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种高强高密各向同性炭的制备方法，特别涉及一种适用于作为滑板材料的高强高密各向同性炭的制备方法。
背景技术：
：我国铁路正在向高速化方向发展，而电力机车是实现铁路高速化的主要交通工具之一。电力机车用受电弓滑板作为电力机车供电系统中的重要集电元件，要求强度高，不易损坏；作为摩擦材料，要求摩擦系数小，滑动性能好；作为电气材料，要求导电性能良好。至目前为止，国内外使用过的材质有金属质、炭质、粉末冶金质、浸金属炭质以及两种材质混合装配的形式等。炭材料与金属材料比，电阻较高，但集电能力足够，另外它的一个最大特征是炭滑板难以发生电弧，即使发生电弧，因炭材料耐高温能力强，不会熔融，对架线损伤极小，又由于炭材料的层状结构决定了其具有良好的自润滑性和减磨性，经一段时间运行后，可在网线接触表面形成一层Cu0-C膜，使网线损耗降到最小值，有效地保护了网线。世界上高速铁路发达的国家如德、法、日等国均十分重视炭滑板的开发和应用，例如，法国TGV巴黎东南线(最高时速270km)，德国ICEI(最高时速2750km)使用石墨质滑板。上述提到的炭滑板，有密度低、集流、润滑、抗弧之长。也有性脆、强度低之短。耐不住钢质材料的研磨和高速运行中的撞击，经常有断裂、掉块、拉沟等现象。为进一步提高材料性能和安全可靠性，需要提高炭滑板的强度。传统方法制备的高密高强各向同性炭一般是由沥青多次浸渍焙烧石墨化而成，这种方法制备时间长，成本高，能量损耗大。中间相炭微球(MesocarbonMicrobeads，简称MCMBs)是沥青液相炭化过程中分离出的的球体，其内部由定向縮聚芳烃堆集而呈层状结构。由于MCMBs炭质颗粒本身含有粘结成分而具有良好的自烧结性，且所含挥发分很少，可以直接作为压粉使用，这样不仅可以制出优质的高密度材料，在制备石墨制品时还简化了工序。MCMBs采用模压成型或等静压成型变成的致密坯体在100(TC热处理后的炭质制品体积密度为1.76g/cm3，石墨化后，体积密度可达1.81.9g/cm3，抗折强度达50100MPa。参见李同起，王成扬.中间相炭微球研究进展.炭素技术.2002(3):24-29。另一方面，SiC、B4C、TiC等难熔金属炭化物能够在较低温度下促进炭制品的石墨化，从而改善材料结构，提高制品密度及性能，参见RosalesCG，0rdasN，0yarzabalE，EcheberriaJ，etal.Improvementofthethermo—mechanicalpropertiesoffinegraingr即hitebyaddingwithdifferentcarbides.JNuclMater2002;307-311:1282-1288。
发明内容针对目前炭滑板中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种以中间相炭微球和纳米碳化硅为原料的高强高密各向同性炭滑板的制备方法。本发明具体的技术方案如下a.备料选用微米级粒径分布均匀(±5m)的中间相炭微球(1100ym)及纳米级碳化硅颗粒(1lOOnm)为原材料，纳米碳化硅质量占原材料总质量的2lOwt.%。采用无水乙醇作为介质，玛瑙球为混料球机械湿混1248h。在IO(TC空气中经1024h烘干。最后将混合料过100200目筛。b.压力成型在室温下将混合料模压或等静压成型，成型压力50400MPa。c.烧结将成型后的试样平放于坩埚内，然后置于热处理炉发热体中间位置，向炉内通氮气，同时以300400°C/h的升温速度加热，最终在900150(TC恒温0.5lh。本发明得到的炭材料不仅具有一般炭滑板的优点，还克服了炭制品强度低的缺陷，可以得到密度^1.75g/cm三点弯曲强度^85MPa，电阻率《35yQm的高强度各向同性炭滑板材料。本发明的有益效果是按照本发明的方法，若未向MCMBs中掺杂纳米碳化硅时，在烧结过程中，MCMBs会产生均匀的体积收縮，但烧结后制品存在一定的孔隙，同时炭球之间存在明显的间隙。因此，单纯采用MCMBs制备的炭材料密度、性能提高有限；当掺杂少量(2lOwt.%)纳米碳化硅后，碳化硅除了可以通过改善MCMBs烧结后的石墨化效果而提高密度外，还会产生抑制收縮的效应，而碳化硅硬度又远大于炭，故烧结后的炭球开裂，颗粒变小，且炭球间明显的间隙消失。这种结构转变有利于提高制品最终的力学及电学性能。图1为MCMBsl30(TC烧结后SEM抛光照片(a)未掺杂，(b)和(c)掺杂5wt.%n肌o-SiC。图2为MCMBsl300。C烧结后SEM断口照片:(a)未掺杂，(b)掺杂5wt.%nano-SiC。具体实施例方式参照图l所示，图l(a)表面可看到大量孔隙，而图l(b)和(c)表面很致密，同时图l(c)表面存在层状炭结构。参照图2所示，图2(a)可看到保留完整的炭球颗粒，同时界面有明显的间隙，图2(b)中炭球消失，颗粒粒径变小，且无明显的间隙。选用2029iim中间相炭微球及40nm碳化硅颗粒为原材料。采用无水乙醇作为介质，玛瑙球为混料球机械湿混24h。在10(TC空气中经10h烘干，用200目筛过筛，得到混合料。在室温下将混合料填入5X5X50mm模具中模压成型，成型压力lOOMPa，保压30s。将成型后的试样平放于坩埚内，然后置于热处理炉发热体中间位置，向炉内通氮气，同时以300400°C/h的升温速度加热，最终在1300150(TC恒温lh。材料组成与烧结条件如表1所示。材料组成中，纳米碳化硅掺量要小于等于lOwt.%。若掺量小于等于lOwt.%时，除了炭球开裂使颗粒变小外，石墨化占重要作用，可以提高炭制品密度；当掺量大于lOwt.%时，因其引入了大量的缺陷而导致石墨化度下降，同时碳化硅明显的抑制了中间相炭微球收縮，最终炭制品密度大幅度降低，导致炭制品性能下降。升温速率要控制为300400°C/h。若升温速率太慢，MCMBs中的粘性相在低温时大量挥发，导致焙烧时MCMBs收縮性下降，炭制品密度降低。若升温速率太快，粘性相挥发过程中无法完全释放，易产生热应力而导致炭制品内出现裂纹。表1本发明高强高密各向同性炭滑板的组成与烧结条件<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表2列出了本发明制备的高强高密各向同性炭滑板测试结果。密度、开孔率采用阿基米德法获得，抗弯强度为三点弯曲强度(3X4X20mm)，电阻率通过四端电极法测量。作为比较，未掺杂纳米碳化硅的制品性能及SEM图片亦列于表2和图1、图2。少量掺杂纳米碳化硅后，炭制品最终力学、电学性能明显提高，以实施例3为例，掺杂5wt.%经130(TC烧结后密度达到了1.84g/cm3，同时抗弯强度和电阻率分别为122MPa，28iiQm。从图1可以看出，掺杂碳化硅后孔隙明显减少，且碳化硅石墨化作用使其表面具有层片结构，这种特殊结构有利于作为滑板使用。同时图2(b)中颗粒尺寸变小，炭球之间明显的间隙消失，炭制品的强度明显提高。表2本发明高强高密各向同性炭滑板的性能测试结果<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>权利要求一种高强高密各向同性炭滑板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤a.备料选用微米级中间相炭微球及纳米级碳化硅颗粒为原材料，纳米碳化硅质量占原材料总质量的2～10wt.％，采用无水乙醇作为介质，玛瑙球为混料球机械湿混12～48h，在空气中经10～24h烘干，然后将混合料过100～200目筛；b.压力成型在室温下将混合料模压或等静压成型，成型压力50～400MPa；c.烧结将成型后的试样平放于坩埚内，然后置于热处理炉发热体中间位置，向炉内通氮气，同时以300～400℃/h的升温速度加热，最终在900～1500℃恒温0.5～1h。2.根据权利要求1所述的高强高密各向同性炭滑板的制备方法，其特征在于所述微米级中间相炭微球为粒径1100iim且分布比较均一的球体。3.根据权利要求1所述的高强高密各向同性炭滑板的制备方法，其特征在于，所述纳米碳化硅粒径为1100nm，且总氧含量〈1%。全文摘要本发明公开了一种高强高密各向同性炭滑板的制备方法，采用纳米碳化硅和中间相炭微球为原料，其中纳米碳化硅占原料的2～10wt.％，经过无水乙醇湿混、干燥后，在室温下50～400MPa压力成型，再在氮气氛下900～1500℃高温焙烧，即可得到一种高强高密各向同性炭材料。本发明制备的高强高密各向同性炭密度≥1.75g/cm3，三点弯曲强度≥85MPa，电阻率≤35μΩ·m。与此同时，该制备方法简单易控，成本低，且制品表面具有层片结构，适用于作为高速列车等的滑板材料使用。文档编号C04B35/52GK101747039SQ20091021951公开日2010年6月23日申请日期2009年12月16日优先权日2009年12月16日发明者乔冠军,史忠旗,夏鸿雁,杨建峰,王红洁,王继平申请人:西安交通大学