一种梯度结构金属型c/c复合材料及其制备方法和应用
【专利摘要】本发明公开了一种梯度结构金属型C/C复合材料及其制备方法和应用，属于电力机车用材料开发技术领域。本发明所设计的复合材料包括粘结层、摩擦层，所述粘结层内均匀分布有第一铜材和炭/炭复合材料；所述粘结层中，第一铜材占粘结层总质量的30?70％；摩擦层内均匀分布有第二铜材和炭/炭复合材料，第二铜材占摩擦层总质量的20?60％。其制备方法为：将碳纤维预制体设计为上下两层结构；下层结构为粘结层，上层结构为摩擦层；采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入铜丝或碳纤维束，将上下两层编织成一个整体；然后经热解碳沉积、聚合物浸渍?炭化处理得到样品。本发明结构设计合理，制备工艺简单所得产品性能优良。
【专利说明】
-种梯度结构金属型c/c复合材料及其制备方法和应用
技术领域
[0001] 本发明公开了一种梯度结构金属型C/C复合材料及其制备方法和应用，属于电力 机车用材料开发技术领域。
【背景技术】
[0002] 电力牵引的高速列车是通过受电弓碳滑板上的碳滑条与接触网导线摩擦接触，将 电网上的电流传输给机车电力系统，从而供给高速列车动力，维持机车正常运行的。
[0003] 目前，广泛使用的碳滑条有纯碳滑条和浸金属滑条，两者各有优缺点。纯碳滑条对 接触线磨损小，接触线使用寿命长。缺点是碳条电阻率高，与侣托架粘结后的粘结电阻大， 导致承受电流能力有限。据报道，单根CH380A型碳滑板仅能承受250~350A电流。浸金属滑 条通过在碳材料中浸溃大量金属，降低了电阻率，也降低了粘结电阻，承受电流能力大大增 强。据报道，单根C畑380B型浸金属碳滑板能承受500A电流。缺点是浸金属滑板因添加有大 量金属，对接触线的磨损加剧，接触线使用寿命短。同时，滑板重量增加，对接触线的跟随性 变差，离线概率增大，电弧损伤加剧。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对现有浸金属碳滑条重量大、对导线磨损大，提 出一种具有梯度结构的、轻质、低电阻率、对接触线磨损小的金属型C/C复合材料滑条及其 制备方法和应用。
[0005] 本发明一种梯度结构金属型C/C复合材料;包括粘结层（1)、摩擦层(2)，所述粘结 层（1)、摩擦层(2)构成一个整体;所述粘结层（1)内均匀分布有第一铜材和炭/炭复合材料； 包括粘结层（1)、摩擦层(2)，所述粘结层（1)、摩擦层(2)构成一个整体;所述粘结层（1)内均 匀分布有第一铜材和炭/炭复合材料;所述粘结层（1)中，第一铜材占粘结层（1)总质量的 A%，所述A的取值范围为30-70、优选为40-70、进一步优选为40-60;所述摩擦层(2)内均匀 分布有第二铜材和炭/炭复合材料，第二铜材占摩擦层(2)总质量的B%，所述B的取值范围 为20-60、优选为20-50、进一步优选为30-40;且A减B大于0。为了达到更好的效果，A减B的取 值为10-20。
[0006] 本发明一种梯度结构金属型C/C复合材料;粘结层（1)与摩擦层(2)的厚度比为1- 2:1-3、优选为 1-1.5:1-3 进一步优选为 1-1.5:2-3。
[0007] 本发明一种梯度结构金属型C/C复合材料;粘结层（1)的厚度为l-8mm、优选为3- 8mm、进一步优选为3-6mm。
[000引本发明一种梯度结构金属型C/C复合材料;摩擦层（2)的厚度为12-17mm、优选为 12-15mm、进一步优选为 12-14mm。
[0009] 本发明一种梯度结构金属型C/C复合材料的制备方法，包括下述步骤：
[0010] 步骤一碳纤维预制体的制备
[0011] 将碳纤维预制体设计为上下两层结构；下层结构为粘结层，上层结构为摩擦层;所 述粘结层由0°无缔炭布，碳纤维网胎、铜材、90°无缔炭布、碳纤维网胎、铜材、0°无缔炭布依 次循环叠加，所述摩擦层由单层0°无缔炭布，碳纤维网胎、铜材、90°无缔炭布、碳纤维网胎 依次循环叠加，采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入铜丝或碳纤维束，将上下两 层编织成一个整体;得到碳纤维预制体；
[0012] 步骤二沉积热解碳
[0013] 对步骤一所得碳纤维预制体进行化学气相沉积热解碳处理，得到孔隙率小于等于 30 %、优选为小于等于20 %、进一步优选为小于等于15 %的C/C复合材料巧体；
[0014] 步骤=聚合物浸溃-炭化处理
[0015] 对步骤二所得C/C复合材料巧体进行聚合物浸溃-炭化处理，得到梯度结构金属型 C/C复合材料;所述梯度结构金属型C/C复合材料的平均密度与步骤二所得的C/C复合材料 巧体的平均密度之比为1.1-2:1、优选为1.1-1.8:1、进一步优选为1.2-1.5:1。
[0016] 本发明一种梯度结构金属型C/C复合材料的制备方法，步骤一中所述铜材选自铜 网、短铜丝、铜粉中的至少一种，优选为由铜网与短铜丝、铜粉中的至少一种组成;进一步优 选方案为:所述铜材由短铜丝和/或铜粉与铜网按质量比为1:3-4组成。
[0017] 本发明一种梯度结构金属型C/C复合材料的制备方法，所使用短铜丝的直径为 0.05~0.2mm，长度为2~20mm。短铜丝的材质选自紫铜、憐青铜、黄铜中的一种。所述铜粉的 材质选自紫铜、憐青铜、黄铜中的一种。所述铜粉的粒度为100~325目。
[0018] 本发明一种梯度结构金属型C/C复合材料的制备方法，步骤一所设计的上层结构 所用铜材为优选为铜网。铜网的材质选自紫铜、憐青铜、黄铜中的一种
[0019] 本发明一种梯度结构金属型C/C复合材料的制备方法，步骤一中所述铜网的目数 为20~100目。单根网丝的直径为0.05~0.2mm。
[0020] 本发明一种梯度结构金属型C/C复合材料的制备方法，步骤一中所述碳纤维预制 体的孔隙率为60-90%、优选为60-80%、进一步优选为65-75%。
[0021] 本发明一种梯度结构金属型C/C复合材料的制备方法，步骤二所得C/C复合材料巧 体的平均密度与步骤一所得的碳纤维预制体的平均密度之比为1.4-2:1、优选为1.4-1.8: Io
[0022] 本发明一种梯度结构金属型C/C复合材料的制备方法，步骤二化学气相沉积热解 碳处理的条件参数为：
[0023] 碳源气体选自丙締、天然气、甲烧中的至少一种；
[0024] 稀释气体选自氮气、氨气中的至少一种；
[0025] 碳源气体和稀释气体的体积比为0.8-1.2:2.8-3.2、优选为1: 3。
[0026] 本发明一种梯度结构金属型C/C复合材料的制备方法，步骤S中，聚合物浸溃-炭 化处理所用聚合物浸溃液为树脂溶液。优选为渐青和巧喃树脂组成的混合溶液或巧喃树脂 溶液。
[0027] 本发明一种梯度结构金属型C/C复合材料的制备方法，步骤S中，将步骤二所得C/ C复合材料巧体置于40-80°C、优选为50-70°C、进一步优选为55-65°C的聚合物浸溃液中，采 用加压浸溃的方式浸溃处理1-3小时后，升溫至180-210°C进行固化处理2.5-3.5小时；固化 完成后进行炭化处理，炭化处理时，控制溫度为830-880°C，单次炭化处理的时间为40-60小 时;按浸溃/固化/炭化处理的方式循环操作直至得到致密度>95 %的梯度结构金属型C/C复 合材料。所述梯度结构金属型c/c复合材料的平均密度与步骤二所的c/c复合材料巧体的平 均密度之比为1.1-2:1、优选为1.1-1.8:1、进一步优选为1.2-1.5:1。
[00%]本发明步骤=中，采用加压浸溃时，控制浸溃压力为l-3MPa。
[0029] 本发明一种梯度结构金属型C/C复合材料的应用;包括用作受电弓滑板。
[0030] 本发明一种梯度结构金属型C/C复合材料的应用;包括用作受电弓滑板;用作受电 弓滑板时，控制粘结层的厚度为4-6mm、优选为5mm，摩擦层厚度控制为12-14mm、优选为 13inm O
[0031] 本发明一种梯度结构金属型C/C复合材料的应用;包括用作受电弓滑板;粘结层通 过粘接剂与金属托架相连。
[0032] 原理和优势
[0033] (1)在预制体的下层结构中，添加适量的铜，利用铜优异的导电性，确保碳滑条与 侣托架粘结后的粘结电阻低，进而使得在大电流情况下，滑板的溫度不会显著升高。
[0034] (2)在预制体的上层结构中，添加的适量的铜，通过调整铜、碳的比例，既保证碳滑 条低电阻率，又减少了铜对接触线的粘着磨损，从而达到了延长了接触线的使用寿命。
[0035] (3)本发明在梯度结构W及各参数条件的协同作用下，在保证稳定受流的情况下， 碳滑条的密度降低，整个碳滑板重量减小，改善了碳滑板对接触线的跟随性，减小碳滑板离 线概率，降低碳滑板遭受的电弧损伤。
【附图说明】
[0036] 附图1为梯度结构金属型C/C复合材料的结构示意图。
[0037] 具体实施 [003引对比例：
[0039] 采用粘结层和摩擦层铜质量含量均为94%的拉体为预制体，其中，铜网含量为 74%，铜粉含量为20%。通过化学气相沉积工艺制备了密度为3. Ig/cm3的复合材料，再经过 两次树脂浸溃-炭化工艺，制备了密度为3.4g/cm3的金属型C/C滑条，具体性能见表1。
[0040] 实施例1:
[0041 ]采用粘结层铜质量含量为94%，摩擦层铜质量含量为20%的拉体为预制体，通过 化学气相沉积工艺制备了残余孔隙率为15%的复合材料，通过两次树脂浸溃-炭化工艺， 制备了平均密度为2.4g/cm3的梯度金属型C/C滑条。
[0042] 具体步骤如下：
[0043] (1)碳纤维预制体由粘结层和摩擦层两部分通过针刺连成一体。粘结层由0°无缔 炭布、碳纤维网胎、铜网、90°无缔炭布、碳纤维网胎、铜粉、0°无缔炭布依次循环叠加，铜网 质量和铜粉质量分别占粘结层铺设总质量的74%和20%;摩擦层由0°无缔炭布、碳纤维网 胎、铜网、90°无缔炭布、碳纤维网胎、铜网、0°无缔炭布依次循环叠加，铜网质量占摩擦层铺 设总质量的50%。采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入碳纤维和铜丝，将上下两 层编织成一个整体，得到平均密度为1.3g/cm3的碳纤维预制体。网胎、无缔布是采用日本东 丽公司（Toray)生产的PAN型T700 (12K)碳纤维制成。
[0044] (2)采用丙締为碳源气体，氮气为稀释气，丙締与氮气的体积比为1:3,利用化学气 相渗透法对预制体在850°C下沉积热解碳，得到开孔率为15%的C/C复合材料巧体。所述C/C 复合材料巧体的平均密度为2. Og/cm3。
[0045] (3)将上述C/C复合材料巧体放入真空-压力浸溃罐中，W巧喃树脂为浸溃剂，采用 高压浸溃工艺处理。浸溃前，试样应先预热，浸溃溫度为60°C，浸溃压力为2MPa，保压时间为 1.5小时。之后，升溫至200°C，保溫约3小时进行固化。固化后转炭化炉进行炭化处理，炭化 溫度为850°C，循环两次。最终加工成粘结层厚度为5mm，密度为3.3g/cm3,摩擦层厚度为 13mm，密度为2.1g/cm3的滑条，整个金属型碳滑条的平均密度为2.4g/cm3,具体性能见表1。
[0046] 实施例2:
[0047] 采用粘结层铜质量含量为90 %，摩擦层铜质量含量为82%的拉体为预制体，通过 化学气相沉积工艺制备了残余孔隙率为12%的复合材料，通过两次树脂浸溃-炭化工艺，审U 备了平均密度为2.9g/cm3的梯度金属型C/C滑条。
[004引具体步骤如下：
[0049] (1)碳纤维预制体由粘结层和摩擦层两部分通过针刺连成一体。粘结层由0°无缔 炭布、碳纤维网胎、铜网、90°无缔炭布、碳纤维网胎、短铜丝、无缔炭布依次循环叠加，铜网 质量和短铜丝质量分别占粘结层铺设总质量的68%和22%;摩擦层由0°无缔炭布、碳纤维 网胎、铜网、90°无缔炭布、碳纤维网胎、铜网、0°无缔炭布依次循环叠加，铜网质量占摩擦层 铺设总质量的82%。采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入碳纤维和铜丝，将上下 两层编织成一个整体，得到平均密度为1.70g/cm3的碳纤维预制体。网胎、无缔布是采用日 本东丽公司（Toray)生产的PAN型T700(12K)碳纤维制成。
[0050] (2)采用丙締为碳源气体，氮气为稀释气，丙締与氮气的体积比为1:3,利用化学气 相渗透法对预制体在850°C下沉积热解碳，得到开孔率为12%的C/C复合材料巧体。所述C/C 复合材料巧体的平均密度为2.6g/cm3。
[0051] (3)将上述C/C复合材料巧体放入真空-压力浸溃罐中，W巧喃树脂为浸溃剂，采用 高压浸溃工艺处理。浸溃前，试样应先预热，浸溃溫度为60°C，浸溃压力为2MPa，保压时间为 1.5小时。之后，升溫至200°C，保溫约3小时进行固化。固化后转炭化炉进行炭化处理，炭化 溫度为850°C，循环两次。最终加工成粘结层厚度为5mm，密度为3.2g/cm3,摩擦层厚度为 13mm，密度为2.8g/cm3的滑条，整个金属型碳滑条的平均密度为2.9g/cm3，具体性能见表1。 [0化2]实施例3:
[0053]采用粘结层铜质量含量为56 %，摩擦层铜质量含量为50%的拉体为预制体，通过 化学气相沉积工艺制备了残余孔隙率为16 %的复合材料，通过两次树脂浸溃-炭化工艺，审U 备了平均密度为2.2g/cm3的梯度金属型C/C滑条。
[0化4] 具体步骤如下：
[0055] (1)碳纤维预制体由粘结层和摩擦层两部分通过针刺连成一体。粘结层由0°无缔 炭布、碳纤维网胎、铜网、90°无缔炭布、碳纤维网胎、铜粉、无缔炭布依次循环叠加，铜网质 量和铜粉质量分别占粘结层铺设总质量的55%和15%;摩擦层由0°无缔炭布、碳纤维网胎、 铜网、90°无缔炭布、碳纤维网胎、铜网、0°无缔炭布依次循环叠加，铜网的质量占摩擦层铺 设总质量的50%。采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入碳纤维和铜丝，将上下两 层编织成一个整体，得到平均密度为1.2g/cm3的碳纤维预制体。网胎、无缔布是采用日本东 丽公司（Toray)生产的PAN型T700 (12K)碳纤维制成。
[0056] (2)采用丙締为碳源气体，氮气为稀释气，丙締与氮气的体积比为1:3,利用化学气 相渗透法对预制体在850°C下沉积热解碳，得到开孔率为16%的C/C复合材料巧体。所述C/C 复合材料巧体的平均密度为2. Og/cm3。
[0057] (3)将上述C/C复合材料巧体放入真空-压力浸溃罐中，W巧喃树脂为浸溃剂，采用 高压浸溃工艺处理。浸溃前，试样应先预热，浸溃溫度为60°C，浸溃压力为2MPa，保压时间为 1.5小时。之后，升溫至200°C，保溫约3小时进行固化。固化后转炭化炉进行炭化处理，炭化 溫度为850°C。循环两次。最终加工成粘结层厚度为5mm，密度为2.5g/cm3,摩擦层厚度为 13mm，密度为2.1g/cm3的滑条，整个金属型碳滑条的平均密度为2.2g/cm3,具体性能见表1。
[0058] 从下表可W看出，实施例中摩擦层碳条电阻率满足技术要求化Q ? m)，粘结 电阻与对比例相当，但密度降低15~32%，对接触线的质量磨损减小37~62%，取得理想的 效果。
[0059] 表1梯度结构金属型C/C滑条的测试结果
[0060]
【主权项】
1. 一种梯度结构金属型C/C复合材料;其特征在于:包括粘结层（1)、摩擦层(2)，所述粘 结层（1)、摩擦层(2)构成一个整体;所述粘结层（1)内均匀分布有第一铜材和炭/炭复合材 料;所述粘结层(1)中，第一铜材占粘结层（1)总质量的A%，所述A的取值范围为30-70;所述 摩擦层(2)内均匀分布有第二铜材和炭/炭复合材料，第二铜材占摩擦层(2)总质量的B %， 所述B的取值范围为20-60;且A-B大于0。2. 根据权利要求1所述的一种梯度结构金属型C/C复合材料;其特征在于:粘结层（1)与 摩擦层(2)的厚度比为1-2:1-3。3. 根据权利要求1所述的一种梯度结构金属型C/C复合材料;其特征在于:粘结层（1)的 厚度为摩擦层(2)的厚度为12-17mm。4. 一种如权利要求1-3任意一项所述梯度结构金属型C/C复合材料的制备方法，其特征 在于包括下述步骤： 步骤一碳纤维预制体的制备 将碳纤维预制体设计为上下两层结构；下层结构为粘结层，上层结构为摩擦层;所述粘 结层由0°无炜炭布，碳纤维网胎、铜材、90°无炜炭布、碳纤维网胎、铜材、0°无炜炭布依次循 环叠加，所述摩擦层由单层0°无炜炭布，碳纤维网胎、铜材、90°无炜炭布、碳纤维网胎依次 循环叠加，采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入铜丝或碳纤维束，将上下两层编 织成一个整体;得到碳纤维预制体； 步骤二沉积热解碳 对步骤一所得碳纤维预制体进行化学气相沉积热解碳处理，得到孔隙率小于等于30% 的C/C复合材料坯体； 步骤三聚合物浸渍-炭化处理 对步骤二所得C/C复合材料坯体进行聚合物浸渍-炭化处理，得到梯度结构金属型C/C 复合材料;所述梯度结构金属型C/C复合材料的平均密度与步骤二所得的C/C复合材料坯体 的平均密度之比为1.1-2:1。5. 根据权利要求4所述的一种梯度结构金属型C/C复合材料的制备方法，其特征在于： 步骤一中所述铜材选自铜网、短铜丝、铜粉中的至少一种。6. 根据权利要求5所述的一种梯度结构金属型C/C复合材料的制备方法，其特征在于： 步骤一中所使用短铜丝的直径为0.05~0.2mm，长度为2~20mm;所述短铜丝的材质选 自紫铜、磷青铜、黄铜中的一种； 步骤一中所述铜粉的材质选自紫铜、磷青铜、黄铜中的一种;所述铜粉的粒度为100~ 325 目； 步骤一中所述铜网的目数为20~100目；单根网丝的直径为0.05~0.2mm;所述铜网的 材质选自紫铜、磷青铜、黄铜中的一种； 步骤一中所述碳纤维预制体的孔隙率为60-90%。 步骤二所得C/C复合材料坯体的平均密度与步骤一所得的碳纤维预制体的平均密度之 比为 1.4-2:1; 步骤二化学气相沉积热解碳处理的条件参数为： 碳源气体选自丙烯、天然气、甲烷中的至少一种； 稀释气体选自氮气、氢气中的至少一种； 碳源气体和稀释气体的体积比为08. -1.2:2.8-3.2; 步骤三中，聚合物浸渍-炭化处理所用聚合物浸渍液为树脂溶液。7. 根据权利要求5所述的一种梯度结构金属型C/C复合材料的制备方法，其特征在于： 步骤三中，将步骤二所得C/C复合材料坯体置于40-80 °C、优选为50-70°C、进一步优选 为55-65Γ的聚合物浸渍液中，采用加压浸渍的方式浸渍处理1-3小时后，升温至180-210°C 进行固化处理2.5-3.5小时；固化完成后进行炭化处理，炭化处理时，控制温度为830-880 °C，单次炭化处理的时间为40-60小时；按浸渍/固化/炭化处理的方式循环操作直至得到致 密度>95 %的梯度结构金属型C/C复合材料。8. 根据权利要求7所述的一种梯度结构金属型C/C复合材料的制备方法，其特征在于： 采用加压浸渍时，控制浸渍压力为l-3MPa。9. 根据权利要求1-3任意一项所述的一种梯度结构金属型C/C复合材料的制备方法，其 特征在于:包括用作受电弓滑板。10. 根据权利要求9所述的一种梯度结构金属型C/C复合材料的应用;其特征在于：用作 受电弓滑板时，控制粘结层的厚度为4_6mm、摩擦层厚度控制为12-18mm、且粘结层通过粘接 剂与金属托架相连。
【文档编号】C04B35/83GK105904969SQ201610169525
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】肖鹏, 方华婵
【申请人】中南大学