受电弓滑板及其制备方法、电气化交通工具

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种受电弓滑板及其制备方法、电气化交通工具。

背景技术

铁路的电气化、高速化是铁路运输行业的整体发展趋势，而铁路运输的电气化是其达到高速化目标的重要前提条件之一。列车在运行的过程中，受电弓滑板的作业环境相对比较为恶劣，长期受到自然环境的物理化学作用，在作业过程中可能由于离线等各种因素与接触网导线发生电烧蚀、机械磨损等各种意外状况。受电弓滑板质量的优劣将直接影响到其自身的更换频率和接触导线的使用寿命。因此，对于受电弓滑板材料的力学性能、导电性能、磨损性能等提出了较为严苛的要求。

现有技术中受电弓滑板一般采用铜合金制成。在电力机车高速运行时，受电弓滑板在滑动的状态下，从接触导线上获得100-1000A的电流作为机车的供电电力，其工作状态下易发生摩擦损耗。由于受电弓滑板处于高速、载流、高温、润滑性低等较为恶劣的状态下工作，高速电气列车的提速更会进一步缩短受电弓滑板的使用寿命，进而导致受电弓滑板成为机车系统更换最为频繁的部件。

随着高分子聚合技术的发展，越来越多传统上应用金属的领域正逐步被工程塑料所取代，在减摩、抗磨材料领域表现尤为突出。树脂型导电复合材料以其比强度高、可设计性强、减摩抗磨损性能优良、耐腐蚀性能好以及便于大面积整体成型等独特优点而备受重视。树脂型导电复合材料具有良好的结构和性能可控性，可以在较大范围内调节自身的电学、力学性能。

发明内容

本发明提供一种受电弓滑板及其制备方法、以及使用该受电弓滑板的电气化交通工具，用于解决现有列车受电弓滑板粘着磨损大、冲击易折断、电阻率大的问题。

本发明提供一种受电弓滑板的制备方法，所述方法包括以下步骤：

对第一材料进行预处理；

在常温下将预处理后的第一材料装入模具，单侧施加150MPa压力，在165±5℃的温度下压制成型，获得第二材料；

将所述第二材料隔绝空气并在介质保护下缓慢升温加热，所述缓慢升温起点温度为130摄氏度，终温为450-750摄氏度；

所述第一材料包括石墨、电解铜粉、树脂粘结剂、紫铜纤维。

优选的，所述对第一材料进行预处理包括：

对石墨进行除油、粗糙化和表面活性处理；

将处理后的石墨、电解铜粉、树脂粘结剂、紫铜纤维在温度为60±5℃下进行热板压制，随后再冷却粉碎。

优选的，对所述石墨的处理还包括电镀锌处理或电镀铜处理。

优选的，所述树脂粘结剂为聚双马来酰亚胺树脂和腰果壳油改性酚醛树脂的混合物、腰果壳油改性酚醛树脂、聚酰亚胺树脂粉、改性煤沥青粉中的一种，所述树脂粘结剂的质量分数为3％-13％。

优选的，所述电解铜粉的质量分数为63％-85％。

优选的，镀锌石墨的含锌量不大于80％。

优选的，镀锌石墨的含锌量为46.71％或78％。

优选的，用镀锌石墨替换所述电解铜粉和所述石墨。

本发明还提供一种受电弓滑板，由上述任一方法制备而成。

本发明还提供一种电气化交通工具，使用上述的受电弓滑板。

本发明提供的受电弓滑板强度高、可设计性强、减摩抗磨损性能优良、耐腐蚀性能好以及便于大面积整体成型等优点，经焙烧工艺处理后，其中的热固性树脂发生了炭化反应形成硬质树脂炭，大幅度提高了受电弓滑板的强度和抑弧性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1-4中各试样分别在受流和未受流情况下进行磨损率测试的数据结果；

图2是本发明实施例5-9中各试样分别在受流和未受流情况下进行磨损率测试，得到的磨损率随粘结剂含量变化的曲线图；

图3是本发明实施例12-15中各试样镀锌石墨粉含量与磨损率的关系图；

图4是本发明实施例16-19中焙烧终温与磨损率的关系图；

图5是本发明实施例11镀锌石墨-铜焙烧型滑板损形貌SEM图像；

图6是本发明实施例10未镀锌石墨-铜焙烧型滑板损形貌SEM图像。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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作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。

本发明中的一种受电弓滑板制备方法，具体实施这种制备方法有下列步骤：

步骤S1，对第一材料进行预处理，所述第一材料包括石墨、电解铜粉、树脂粘结剂、紫铜纤维。

对所述石墨的预处理包括除油、粗糙化、表面活性剂处理，具体操作如下：

a.除油：将100g石墨和200ml、10mol/L的NaOH溶液经加热煮沸，再保温20min，然后将石墨洗至中性后抽滤、干燥后备用。

b.粗糙化：将经除油处理的石墨放入烧杯中，加入200g、98wt％的浓硫酸，经加热煮沸，再保温20min，然后将石墨洗至中性备用。

c.表面活性剂处理：将经粗糙化处理的石墨放入烧杯中，加入2g十二烷基苯磺酸钠配制成溶液，浸泡30min，再洗至中性后抽滤，然后在120℃下烘干。

将处理后的石墨、电解铜粉、树脂粘结剂、紫铜纤维在温度为60±5℃下进行热板压制，随后再冷却粉碎。

步骤S2，在常温下将预处理后的第一材料装入模具，单侧施加150MPa压力，在165±5℃的温度下压制成型，获得第二材料；

步骤S2为热压成型步骤，在常温下将与处理后的第一材料装入模具内，采用单侧施加压的方法，在成型压力为150MPa和压制温度为165±5℃的条件下将滑板试样压制成型。

为保证树脂固化时产生的气体能充分释放，防止产生缺陷，热压开始时每10s开模放气一次，共3次；在随后的保压阶段，每隔3min放气一次。

步骤S3，将所述第二材料隔绝空气并在介质保护下缓慢升温加热，所述缓慢升温起点温度为130摄氏度，终温为450-750摄氏度；

步骤S3为焙烧步骤，在隔绝空气和在介质保护下，将压制成型的滑板试样按一定的升温速率进行加热。为防止滑板试样开裂，焙烧温度在135～750℃之间缓慢升温。

本发明提供一种受电弓滑板，由上述方法制备。本发明提供以下实施例，进一步说明实施上述方法所用组分、组分含量及制成受电弓滑板的性能指标。

实施例1-4所制备的受电弓滑板均使用质量百分比为7％的鳞片石墨、5％的紫铜纤维和81％的电解铜粉以及7％的树脂材料。实施例1-4的区别点在于，分别使用了不同类型的树脂材料，包括PBMI(聚双马来酰亚胺树脂)和YM树脂(腰果壳油改性酚醛树脂)的混合物、YM树脂(腰果壳油改性酚醛树脂)、高温P树脂(聚酰亚胺树脂粉，上海树脂厂生产，型号PC-8000)、MCTP粉(改性煤沥青粉)。各实施例组分含量详见下表：

表1受电弓滑板试样的实施例1-4配方(mass％)

使用本发明公开的受电弓滑板制备方法制得受电弓滑板，测试其体积密度、室温电阻率、洛氏硬度等物理性能参数结果如下：

表2不同焙烧型滑板试样的物理性能参数

在环境温度为(25±2℃)、空气气氛、载流密度为285A/cm

在相同条件下，不同受电弓滑板的载流磨损率均大于其未受流磨损率。高温P受电弓滑板和PBMI/YM受电弓滑板的载流磨损率分别为9.75×10

滑板的载流磨损率与其结构强度密切相关，高温P树脂炭化时发生了体积收缩和明显粉化现象，造成了滑板基体内部连续相割裂严重、结构疏松、不致密，出现明显剥层现象。而PBMI/YM受电弓滑板因其树脂炭化后保留下的残炭率高，形成的树脂炭能均匀分散在铜基体骨架中，因此更易在界面上产生化学键合连接，起到硬炭增强作用。

实施例5-9：保持润滑相和增强相含量不变，组分中电解铜粉的含量随粘结剂含量的增加依次减少。

表3不同树脂含量的焙烧型滑板实施例5-9配方(mass％)

注：其中PBMI/YM树脂含量为7％的实施例即实施例1.

使用本发明公开的受电弓滑板制备方法制得受电弓滑板，测试其体积密度、室温电阻率、洛氏硬度等物理性能参数结果如下：

表4不同焙烧型滑板物理性能参数

在环境温度为(25±2℃)、空气气氛、载流密度为285A/cm

滑板的载流磨损率随树脂含量的增加呈现先减小后增大的趋势。在PBMI/YM树脂含量为5mass％时，焙烧型滑板的载流磨损率最小。随着树脂含量的增加，电解铜粉等填料含量就相应降低。

受电弓滑板的体积密度和硬度均随着树脂含量的减小而增加，表明滑板试样的致密化程度和强度随着树脂含量的减小而增大，这可以认为是由于电解铜粉取代了相同体积分数的树脂造成滑板内部金属颗粒间的冶金结合强度增加所致。

实施例10-12：

进一步地，采用表5受电弓滑板试样的实验实施例10-12配方，以PBMI/YM树脂作为成型粘接剂。

表5受电弓滑板试样的实施例10-12配方(mass％)

使用本发明公开的受电弓滑板制备方法制得受电弓滑板。对于实施例11和12，在预处理环节增加以下操作：

d.镀锌：在除杂过滤后的溶液中加入一定量的预处理石墨粉，调节该溶液的pH值，然后搅拌、经超声振荡60min，使石墨分散均匀，进行电镀。

测试使用上述方法制备的受电弓滑板的体积密度、电阻率、洛氏硬度、抗折强度等物理性能参数结果如下：

表6石墨-铜焙烧型滑板的物理性能参数

从表6中可以看出，镀锌石墨-铜焙烧型滑板的硬度和抗折强度明显优于未镀锌-铜焙烧型滑板，锌含量高的镀锌石墨-铜焙烧型滑板的电阻率和抗折强度优于锌含量低的滑板。

实施例13-15：

进一步地，保持粘结剂和增强相材料的含量不变，电解铜粉的含量随镀锌石墨含量的增加而减少，采用表7受电弓滑板试样的实施例13-15配方(mass％)。其中，实施例15在实施例11-12所使用制备方法的基础上，将镀锌操作改为镀铜操作。

表7不同镀锌石墨粉焙烧型滑板试样的实施例13-15配方(mass％)

在环境温度为(25±2℃)、空气气氛、载流密度为285A/cm

随着镀锌石墨粉含量的增加，焙烧型滑板载流磨损率先减小后增大。当镀锌石墨粉含量为30mass％时，滑板的磨损率最低。在润滑相含量相同的条件下，由镀锌石墨制得的焙烧型滑板(实施例13)的载流磨损率明显小于由镀铜石墨制得的焙烧型滑板(实施例15)的载流磨损率。

实施例16-19：

进一步地，选用实施例13的配方，焙烧时在设定焙烧终温为470摄氏度、550摄氏度、630摄氏度、710摄氏度，制备受电弓滑板。

在环境温度为(25±2℃)、空气气氛、载流密度为285A/cm2、滑行速度为41.7m/s、磨损时间为30min、加载载荷为50N/cm2的实验条件下，对实施例16-19的方法所制备出的受电弓滑板进行磨损率测试实验，得到如附图4所示的不同焙烧终温滑板试样结果。

受电弓滑板的磨损率随焙烧终温的升高呈现先减小后增大的趋势。随着焙烧终温的提高，滑板内部冶金结合更加致密，滑板的抗磨性也随之提高。温度过低，不能形成有效的连续相；温度过高，金属流动速率加快反而造成滑板内部组元分布不均，同时还在滑板内部形成微气孔，该气孔阻碍电子的自由运动，割裂了铜等金属网络结构，导致其抗磨性能降低。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

本发明未尽事宜为公知技术。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。