专利名称：复合集电器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于电气设备的复合集电器。本发明还涉及制造这种集电器的方法。
集电器被用于从导体或者向导体传输电力并且与导体滑动接触。
电气化铁路车辆从架空接触线系统(通常称为架空接触线或者OCL)或者供电轨道获得动力。在这两种情况下，集电器都与导体滑动接触。在架空系统的情况下，被置于车顶的集电弓装置典型地包括集电器，该集电器传输来自架空线的电流以驱动车辆。[一种替代的装置被用于一些无轨电车，这些无轨电车使用在接电杆上的集电器。本发明包括这种装置，并且旨在覆盖所有系统，在这些系统中车辆从导体获取电流]。虽然这种装置一般已经令人满意，但这些年来铁路车辆的运行速度已提高并且容许的集电的余量已缩减了。随着这种要求的不断提高，存在对能够在这种要求高的环境中工作的改进材料的需求。
在过去，集电器材料传统上可分成三种类型·挤压型----通过焦炭和石墨与焦油或沥青粘合剂混合来生产软的可塑碳。这种材料可以通过模具被挤压，并得到各种横截面。在挤压后，进行窑烧，从而导致高强度的多孔碳。
·金属化型----挤压碳的多孔特性可被用于进行金属化。熔融的金属在压力下被迫进入该材料的孔中。这增加机械强度、导电性和导热性。在US5657842中可以找到金属化集电器的一个例子，其中碳纤维增强的碳材料包含引脚、纤维、箔片、或导电材料(例如金属)条。另一个例子是WO01/08920，其中三维延伸的碳纤维网形成碳-碳复合物的一部分，该部分可以用金属浸渍。金属浸渍工序是劳动密集的并且因此成本高。
·烧结型-----这些通过混合金属和石墨粉来生产，然后受压成形并被热处理。导电性和导热性极好，但是机械强度一般比在挤压或金属化类别中要低。较大的重量也是一个潜在的缺点。
最近建议的(CN1178745，CN1265429，和CN1468891)供集电器之用的材料是热压材料，该热压材料包含铜粉/纤维或镀铜粉末、碳纤维以及树脂。
这些申请人已经意识到现有集电器的缺陷是它们的电阻率由碳的电阻率决定，或者对于金属化或烧结材料来说，由金属含量和金属的接合性决定。具有安装于摩擦学上可接受的基体(例如，碳)中的连续金属导体将是优选的。
通过提供嵌入在摩擦学上可接受的基体中的金属网，合成的材料将具有低的电阻率(由于由金属网提供的连续的电通路)以及高的弯曲强度(由于这种材料的复合特性)。
此外，避免了金属浸渍工序的复杂性。
因此，本发明提供一种用于将电力传输给导体或传输来自导体的电力并且与导体滑动接触的复合集电器，该集电器包括嵌入在摩擦学上可接受的基体中的金属网。
摩擦学上可接受的基体可以是碳基材料。
这种集电器可以提供通过该网从导体至该集电器的远端的连续的电流通路，因此系统的阻抗将是低的。
本发明的另外的特征如在权利要求中所述，如在以下描述中所例证，其中
图1示出根据本发明形成集电器的方法；图2是依照图1的方法制造的产品的照片；和图3象征性地示出集电器和相关的导体。
根据本发明的复合集电器可以通过以下步骤来制造提供多层金属网和摩擦学上合适的材料，按压这些层以允许摩擦学上合适的材料通过孔融合到金属网中，由此形成复合体。
例如，如图1中所示，在压力和热作用下，可以用具有交错层的复合材料构成集电器，该交错层包括a)焦炭、石墨和酚醛树脂(phenolic novolak resin)；以及b)延展的铜网。
焦炭/石墨/树脂层1和铜网层2交错并在按压方向3上被按压。
结果是分层的复合材料并且图2示出这种复合材料。
实例1、焦炭/石黑/树脂混和物以下列方式来制备。
2、通过在低能量混合器、例如“Z”形叶片混合器中在环境温度下混合下列成分来制备预混和物
英国谢菲尔德James Durrans&Sons Ltd的石油焦炭-等级Z11C(K) ～50％威尔士斯旺西Morganite Electrical Carbon Limited生产的铸造用焦炭-等级NH358(N) ～31％德国Walluf的Laporte Pigments Brockhues AG的灯黑-等级Z35～15％英国Alcester的David Hart Ltd.的石墨-等级Hart80 ～5％3、该材料然后在70-80□下在高能IntermixerTM中与下列成分混合预混和物1 ～77％威尔士Sully的Borden Chemicals Ltd.的酚醛树脂-等级PR82 ～19％英格兰普尔的VWR International的六胺2.0％威尔士Kenfig的Alpha Electrostatic Flocking Ltd.的尼龙纤维 2.0％4、这种材料被压碎成细粉末，然后与异丙醇(propan-2-ol)混合(100g固体兑25ml溶剂)以形成糊状物(成分1)。
成分1的组成主要是基于碳，因为金属网提供导电通路，夹层材料可以是绝缘体、例如为陶瓷材料或具有适当的摩擦特性的、碳/陶瓷混合物。其他合适的夹层材料包括载有适当填充物的高温热塑性塑料。
夹层材料也可以包括●用于提供附加强度的纤维(如果这些纤维导电的话，则这些纤维也可以或替代地提供改善的导电性——例如，碳纤维、碳纳米纤维)；●有助于热传递和消散的导热材料；●有助于导电性并用于降低热点的风险的粉末、纤维或者板形式的导电填充；●如果集电器的预期用途允许，用于促进与导体的电接触的较少研磨材料。
●润滑剂●用于减少集电器的导体接触表面的退化的抗氧化物。
CN1178745、CN1265429、和CN1468891的材料或者类似材料可被用作夹层材料。
5、该糊状物然后被置于表面上并被轧平。然后将延展的铜网、例如ExpametGrade 947[英格兰哈特尔普尔的Expanded Metal Company](成分2)置于片材上，并在铜上涂敷并且散布另一层糊状物。这然后被轧成1-2mm厚的片材。虽然举例说明了延展的铜网，但也可使用其他网形式、例如编织或针织网或者非编织的毡状网。有利地，网的导电性应是高的，并且因此延展的金属网优选为编织或者针织网，并且二者优选是毡状网。
6、让片材在50℃干燥。
7、然后将片材切割成适当的尺寸。
8、然后将这些切割开的片材彼此堆叠(数量取决于所需的块的厚度)，并通过在环境温度下在1-2公吨/平方英寸(～15-50MPa)下在模具中压制而预先形成所需的形状。
9、预先形成的成品然后在160℃下在2-5公吨/平方英寸(30-75MPa)压力下被热压5分钟以形成固体块。
10、然后该固体块通过以10℃/小时被加热到180℃来进一步固化。它在这个温度下被保持另外的2个小时。
11、该固体块通过在惰性气氛中以50℃/小时被加热到800℃而被窑烧，其中该惰性气氛例如具有98％的氮气和2％的氢气。它在这个温度下被保持另外的2个小时。。
这种材料的典型特性是密度1.90gcm-3。
电阻率＜1μΩ.m(在铜网的方向上)。
制造不需要包括热压，可以采用任何能够制备层状结构的方法、例如辗轧。例如在WO02/090291中所描述的挤压片材的工序适合于将网材料卷入到石墨或碳片材中。
实例237份天然石墨与15份酚醛树脂的预混合物是通过下述步骤来制备的，即将各成分湿掺和，在60℃下干燥，然后铣削。夹层材料是通过将这些成分干掺和而制成的(以wt％为单位)
所得到的混和物然后被在铜网周围被按压以形成预先形成的成品并且被热压以形成如前一实例中那样的块。
最终产品显示出2.47g.cm-3的密度和低的电阻率。
本发明除了金属网之外也可以考虑非金属网层(例如碳纤维网或布)以提供附加的强度。
在形成层状结构之后，该结构可以被浸渍于树脂或其他材料中来改善特性(例如强度、摩擦特性等)。
制备好的材料被固定在动态受电弓试验台上并被测试，并且已经显示出产生与现场试验可比较的磨损结果，即～10mm/10000km。
这种材料可以以任何传统的方式被固定，如果需要，可以被包覆以免于分层或者其他损害。
图3示出从导体4获取电流的集电器5的例子。集电器5包括金属网导体6和嵌入在摩擦学上可接受的基体8中的加固网7(例如碳布或纤维状网)。
集电器内的网的分布以及实际上加固网的分布不必是均匀的。可以在集电器的出现最大影响的那些部分中(例如前沿以及也许后缘)通过在那些区域中定位加固网来提供附加强度。在集电器的出现与导体的最大接触的那些区域中网的密度可以被最大化以使集电最大化。
如图3中所示，金属网将被这样定向，使得其与导体具有边缘接触。当有多个金属网时，每一个金属网都可以与导体接触。金属网无需与集电器的导体接触面严格垂直，并且可以以一定的角度被定向，以便例如金属网从集电器移动的主方向向内倾斜或向后倾斜。
权利要求
1.一种复合集电器，用于将电力传输给导体或者从导体传输电力，并且用于与导体滑动接触，该集电器包括嵌入在摩擦学上可接受的基体中的金属网。
2.如权利要求1所述的复合集电器，其特征在于，该摩擦学上可接受的基体为碳基材料。
3.如权利要求2所述的复合集电器，其特征在于，该碳基材料是焦炭/石墨/树脂混合物。
4.如权利要求1-3中任一权利要求所述的复合集电器，其特征在于，该金属网是铜网。
5.如权利要求1-4中任一权利要求所述的复合集电器，其特征在于，嵌入在摩擦学上可接受的基体中的金属网包括基体材料和金属网的压制层状体。
6.如权利要求1-5中任一权利要求所述的复合集电器，其特征在于，除了该金属网之外还设置有一个或多个非金属加固网层。
7.如权利要求6所述的复合集电器，其特征在于，该非金属加固网层在集电器的体内不均匀地分布。
8.如权利要求1-7中任一权利要求所述的复合集电器，其特征在于，该金属网包括多个嵌入在摩擦学上可接受的基体中的金属网。
9.如权利要求8所述的复合集电器，其特征在于，该多个金属网在集电器的体内不均匀地分布。
10.如权利要求1-9中任一权利要求所述的复合集电器，其特征在于，该金属网被布置成垂直于集电器的导体接触面。
11.一种制造如任一前述权利要求所述的复合集电器的方法，其特征在于，多层基体材料和金属网被压制在一起以形成层状结构。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在压制之后或者在压制期间该层状结构被升高到高温。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该层状结构在惰性气氛下被窑烧。
14.如权利要求11-13中任一权利要求所述的方法，其特征在于，该层状结构在形成之后被浸渍。
15.一种电动车辆，该电动车辆通过如权利要求1-10中任一权利要求所述的集电器从导体获取电流。
全文摘要
一种复合集电器包括嵌入在摩擦学上可接受的基体中的金属网。
文档编号B60L5/20GK1882453SQ200480033155
公开日2006年12月20日 申请日期2004年11月10日 优先权日2003年11月11日
发明者C·J·斯佩西, A·B·达维斯, R·S·霍普克尔, J·C·波夫 申请人:摩根奈特电碳有限公司