本发明属于复合材料
技术领域：
，具体涉及一种碳陶材料的生产工艺及由该碳陶材料制得的轨道交通用滑板。
背景技术：
：随着经济的飞速发展和国民生活水平的不断提高，铁路轨道交通逐渐发展成为我国的重要基础设施、国民经济的大动脉和人们出行的首选工具，特别是近年来高速铁路动车组的引进及其国产化研制，使得我国的铁路事业有了飞跃式发展。滑板是高速动车组列车的受流器中的重要部件，其主要功能是从高压电缆上汲取电能以供应整个列车运行使用。每辆列车上共有两个受电弓，每个受电弓包含1～2根滑板。滑板作为一种易损磨耗件，其运行工况非常复杂，因而就需要滑板材料具有高耐磨性和高电导率，其中耐磨性是最为关键的指标，它直接决定着滑板的使用寿命及高速列车的运行安全。从磨损机理上可将磨损分为机械磨损和电磨损，电磨损占总磨损量的近九成。目前所使用的滑板主要采用纯碳或碳渗铜两种材料，在实际使用过程中容易被电弧烧蚀而发生失重，大幅度降低滑板的使用寿命，尤其是在雨雪天气，较大的空气湿度极易引发上述两种材料的放电烧蚀，导致现有的滑板难以适用于雨雪等恶劣天气。鉴于此，为防止电弧对滑板的烧蚀和氧化，迫切需要对滑板的材质进行改进，以提高滑板对放电烧蚀的耐受性。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题在于克服现有的轨道交通用滑板因采用纯碳或碳渗铜材质而存在的易于被电烧蚀失重的缺陷，进而提供一种耐电烧蚀、强度高且不磨损对偶件的碳陶滑板。为此，本发明实现上述目的的技术方案为：一种碳陶材料的生产工艺，包括如下步骤：(1)对密度为1.65～1.8g/cm3的石墨进行焙烧处理，获得石墨坯体；(2)配制含有聚二甲基硅烷的先驱体浸渍液，采用所述先驱体浸渍液对所述石墨坯体进行浸渍处理，将完成浸渍后的石墨坯体置于150～200℃下固化处理0.5～5h，而后再于1300～1450℃下焙烧1～2h；重复上述步骤直至所述石墨坯体的密度达到1.85～1.95g/cm3，得到半成品；(3)采用铜锡合金熔液浸渍所述半成品，待浸渍完成后即制得碳陶材料。优选地，所述石墨为等静压石墨。优选地，步骤(1)的焙烧温度为1800～2500℃，焙烧时间为2～3h。优选地，所述石墨坯体的孔隙率不低于20％。优选地，所述先驱体浸渍液由苯乙烯与聚二甲基硅烷按质量比1:5配制而成。优选地，步骤(2)中的浸渍处理是在0.5～1MPa的压力下进行的。优选地，步骤(2)的焙烧温度为1340～1420℃。进一步地，步骤(2)还包括在每次浸渍之前对石墨坯体进行表面清洁的步骤。优选地，所述铜锡合金熔液中铜与锡的质量比为(1～1.5)：1。优选地，步骤(3)中浸渍的温度为850～950℃，压力为0.1～0.5MPa并保压0.5～1h。一种轨道交通用滑板，由上述生产工艺制得的碳陶材料制成，所述碳陶材料中的SiC为β晶相，其含量为5-10wt％，SiC的颗粒尺寸为25～35nm。与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有如下优点：1、本发明提供的碳陶材料的生产工艺，通过对密度为1.65～1.8g/cm3的石墨进行焙烧处理以提高石墨的开孔率，使得焙烧后的石墨坯体的孔隙率不低于20％，从而有利于高分子先驱体的负载，负载有先驱体的石墨坯体经固化及高温焙烧处理后，可使高分子先驱体转变为SiC颗粒，再经过反复浸渍可实现石墨的致密化，由此得到密度为1.85～1.95g/cm3的半成品；但实际上无论进行多少次高分子先驱体浸渍，石墨坯体本身依然存在一定的空隙，因此为进一步提高其致密性，本发明的工艺还采用铜锡合金熔液浸渍半成品最终制得了碳陶材料，并通过调整合金的配方来提高碳陶材料的导电性和自润滑性。众所周知，碳化硅(SiC)具有优异的耐磨性能，作为磨料可用于生产砂轮、油石、磨头、砂瓦等磨具，但若直接利用碳化硅制作滑板的话，则因其本身也是一种增磨材料而会对其对偶件高压铜导线产生过度磨耗，这也正是现有技术未曾出现SiC滑板的原因所在。因此要想将SiC用于制作轨道交通用滑板，就需要在碳陶材料的整个生产过程中严格控制SiC的比例、颗粒尺寸及晶体结构，以平衡SiC的耐磨性与增磨作用二者间的冲突。为此，本发明的工艺通过严格控制浸渍前后石墨坯体的密度以及浸渍后焙烧的温度和时间，以控制SiC颗粒的含量为5-10wt％、尺寸为25～35纳米且具备β晶相，由此一方面可使SiC陶瓷颗粒能够均匀弥散在石墨坯体中并对石墨坯体形成一层保护膜，由于SiC陶瓷的耐受温度极高，在放电烧蚀过程中仍能保持足够的稳定性，从而可防止电弧对碳基体材料的烧蚀和氧化，另一方面SiC本身还具有极高的强度，弥散在碳基体中有助于增强材料强度，提高耐冲击性，第三方面适当含量及尺寸的β-SiC颗粒并不会对滑板的对偶件产生磨耗，因而使得利用本发明工艺制得的碳陶材料可用于生产轨道交通用滑板。2、本发明提供的轨道交通用滑板，由本发明工艺制得的碳陶材料经磨削加工而得，从而使得本发明的碳陶滑板不仅能够耐受电弧烧蚀和氧化，还能抵抗使用过程中的冲击，有效延长了滑板的使用寿命，更重要的是本发明的碳陶滑板不会对其对偶件产生磨损，能够满足实际工况的需求。具体实施方式下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。实施例1本实施例提供的碳陶滑板的生产工艺，包括如下步骤：(1)选择密度为1.65g/cm3的等静压石墨，对其进行表面清洁后放入焙烧炉中，于2150℃下焙烧3h，得到孔隙率为20％的石墨坯体；(2)将苯乙烯与聚二甲基硅烷按质量比1:5混合，配制成先驱体浸渍液，在浸渍炉中采用所述先驱体浸渍液对所述石墨坯体进行加压浸渍，压力为0.5MPa，将完成浸渍后的石墨坯体置于200℃下固化处理0.5h，而后在1300℃下焙烧2h；重复上述工序并在每次浸渍前对石墨坯体进行表面清洁，直至所述石墨坯体的密度达到1.85g/cm3，得到半成品；(3)将上述半成品放入真空浸渍炉中，在850℃、0.3MPa下浸渍Cu/Sn质量比为1:1的合金熔液并保压0.5h，待浸渍完成后即制得碳陶材料；(4)将该碳陶材料磨削加工至所需尺寸，即得轨道交通用碳陶滑板1#。经测定，本实施例制得的碳陶材料中的SiC为β晶相，含量为6wt％，颗粒尺寸为26～32nm。实施例2本实施例提供的碳陶滑板的生产工艺，包括如下步骤：(1)选择密度为1.725g/cm3的石墨，对其进行表面清洁后放入焙烧炉中，于1800℃下焙烧2.5h，得到孔隙率为23％的石墨坯体；(2)将苯乙烯与聚二甲基硅烷按质量比1:5混合，配制成先驱体浸渍液，在浸渍炉中采用所述先驱体浸渍液对所述石墨坯体进行加压浸渍，压力为0.75MPa，将完成浸渍后的石墨坯体置于150℃下固化处理5h，而后在1450℃下焙烧1h；重复上述工序并在每次浸渍前对石墨坯体进行表面清洁，直至所述石墨坯体的密度达到1.95g/cm3，得到半成品；(3)将上述半成品放入真空浸渍炉中，在900℃、0.1MPa下浸渍Cu/Sn质量比为1.2:1的合金熔液并保压1h，待浸渍完成后即制得碳陶材料；(4)将该碳陶材料磨削加工至所需尺寸，即得轨道交通用碳陶滑板2#。经测定，本实施例制得的碳陶材料中的SiC为β晶相，含量为5wt％，颗粒尺寸为28～35nm。实施例3本实施例提供的碳陶滑板的生产工艺，包括如下步骤：(1)选择密度为1.8g/cm3的等静压石墨，对其进行表面清洁后放入焙烧炉中，于2500℃下焙烧2h，得到孔隙率为25％的石墨坯体；(2)将苯乙烯与聚二甲基硅烷按质量比1:5混合，配制成先驱体浸渍液，在浸渍炉中采用所述先驱体浸渍液对所述石墨坯体进行加压浸渍，压力为1MPa，将完成浸渍后的石墨坯体置于175℃下固化处理1h，而后在1400℃下焙烧1.5h；重复上述工序并在每次浸渍前对石墨坯体进行表面清洁，直至所述石墨坯体的密度达到1.88g/cm3，得到半成品；(3)将上述半成品放入真空浸渍炉中，在875℃、0.4MPa下浸渍Cu/Sn质量比为1.3:1的合金熔液并保压0.75h，待浸渍完成后即制得碳陶材料；(4)将该碳陶材料磨削加工至所需尺寸，即得轨道交通用碳陶滑板3#。经测定，本实施例制得的碳陶材料中的SiC为β晶相，含量为10wt％，颗粒尺寸为25～33nm。实施例4本实施例提供的碳陶滑板的生产工艺，包括如下步骤：(1)选择密度为1.69g/cm3的等静压石墨，对其进行表面清洁后放入焙烧炉中，于2300℃下焙烧2.5h，得到孔隙率为25％的石墨坯体；(2)将苯乙烯与聚二甲基硅烷按质量比1:5混合，配制成先驱体浸渍液，在浸渍炉中采用所述先驱体浸渍液对所述石墨坯体进行加压浸渍，压力为0.9MPa，将完成浸渍后的石墨坯体置于160℃下固化处理2h，而后在1380℃下焙烧1.5h；重复上述工序并在每次浸渍前对石墨坯体进行表面清洁，直至所述石墨坯体的密度达到1.9g/cm3，得到半成品；(3)将上述半成品放入真空浸渍炉中，在920℃、0.2MPa下浸渍Cu/Sn质量比为1.5:1的合金熔液并保压0.6h，待浸渍完成后即制得碳陶材料；(4)将该碳陶材料磨削加工至所需尺寸，即得轨道交通用碳陶滑板4#。经测定，本实施例制得的碳陶材料中的SiC为β晶相，含量为8wt％，颗粒尺寸为28～34nm。实施例5本实施例提供的碳陶滑板的生产工艺，包括如下步骤：(1)选择密度为1.76g/cm3的等静压石墨，对其进行表面清洁后放入焙烧炉中，于2000℃下焙烧3h，得到孔隙率为24％的石墨坯体；(2)将苯乙烯与聚二甲基硅烷按质量比1:5混合，配制成先驱体浸渍液，在浸渍炉中采用所述先驱体浸渍液对所述石墨坯体进行加压浸渍，压力为0.6MPa，将完成浸渍后的石墨坯体置于190℃下固化处理3h，而后在1340℃下焙烧1h；重复上述工序并在每次浸渍前对石墨坯体进行表面清洁，直至所述石墨坯体的密度达到1.92g/cm3，得到半成品；(3)将上述半成品放入真空浸渍炉中，在950℃、0.3MPa下浸渍Cu/Sn质量比为1.4:1的合金熔液并保压0.9h，待浸渍完成后即制得碳陶材料；(4)将该碳陶材料磨削加工至所需尺寸，即得轨道交通用碳陶滑板5#。经测定，本实施例制得的碳陶材料中的SiC为β晶相，含量为7wt％，颗粒尺寸为25～32nm。实施例6本实施例提供的碳陶滑板的生产工艺，包括如下步骤：(1)选择密度为1.75g/cm3的等静压石墨，对其进行表面清洁后放入焙烧炉中，于2050℃下焙烧2.5h，得到孔隙率为22％的石墨坯体；(2)将苯乙烯与聚二甲基硅烷按质量比1:5混合，配制成先驱体浸渍液，在浸渍炉中采用所述先驱体浸渍液对所述石墨坯体进行加压浸渍，压力为0.65MPa，将完成浸渍后的石墨坯体置于165℃下固化处理4h，而后在1420℃下焙烧1.5h；重复上述工序并在每次浸渍前对石墨坯体进行表面清洁，直至所述石墨坯体的密度达到1.93g/cm3，得到半成品；(3)将上述半成品放入真空浸渍炉中，在930℃、0.4MPa下浸渍Cu/Sn质量比为1.3:1的合金熔液并保压0.8h，待浸渍完成后即制得碳陶材料；(4)将该碳陶材料磨削加工至所需尺寸，即得轨道交通用碳陶滑板6#。经测定，本实施例制得的碳陶材料中的SiC为β晶相，含量为9wt％，颗粒尺寸为28～33nm。对比例1本对比例提供的碳陶滑板的生产工艺按照本发明实施例4所述的方法进行，唯一不同之处在于本对比例采用碳纤维布代替石墨作为基体，最终制得轨道交通用碳陶滑板7#。对比例2本对比例提供的碳陶滑板的生产工艺，包括如下步骤：(1)选择密度为1.69g/cm3的等静压石墨，对其进行表面清洁后放入焙烧炉中，于2300℃下焙烧2.5h，得到孔隙率为25％的石墨坯体；(2)将苯乙烯与聚二甲基硅烷按质量比1:5混合，配制成先驱体浸渍液，在浸渍炉中采用所述先驱体浸渍液对所述石墨坯体进行加压浸渍，压力为0.9MPa，将完成浸渍后的石墨坯体置于1200℃下焙烧2h，而后在1500℃下焙烧1.5h；重复上述工序并在每次浸渍前对石墨坯体进行表面清洁，直至所述石墨坯体的密度达到1.9g/cm3，得到半成品；(3)将上述半成品放入真空浸渍炉中，在920℃、0.2MPa下浸渍Cu/Sn质量比为1.5:1的合金熔液并保压0.6h，待浸渍完成后即制得碳陶材料；(4)将该碳陶材料磨削加工至所需尺寸，即得轨道交通用碳陶滑板8#。经测定，本实施例制得的碳陶材料中的SiC为β晶相，含量为8wt％，颗粒尺寸为10～14nm。实验例分别对本发明上述碳陶滑板1#～8#、现有的纯碳滑板和碳渗铜滑板及其相应的对偶件高压铜导线的磨耗量进行了测试，测试条件为：在350公里/小时的速度下带电拖磨2小时，测试结果如表1所示。表1各滑板及其对偶件的体积磨耗量(cm3)滑板体积磨耗对偶件体积磨耗碳陶滑板1#2.18铜导线1#0.022碳陶滑板2#2.10铜导线2#0.024碳陶滑板3#1.99铜导线3#0.019碳陶滑板4#1.93铜导线4#0.017碳陶滑板5#1.95铜导线5#0.019碳陶滑板6#2.02铜导线6#0.020碳陶滑板7#2.05铜导线7#0.031碳陶滑板8#2.29铜导线8#0.020纯碳滑板9#2.89铜导线9#0.053碳渗铜滑板10#2.92铜导线10#0.048显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。当前第1页1 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