專利名稱：一種受電弓滑板炭/炭復合材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種炭材料的制備方法，特別涉及一種受電弓滑板炭/炭復合材料的 制備方法。
背景技術：
電力機車的滑板與接觸網導線不斷產生電沖擊與機械沖擊磨耗，是電力機車中更 換最頻繁，消耗量最大的部件，因此高速電力機車的發展對滑板材料提出了非?？量痰囊?求1)良好的導電性能；2)優良的摩擦磨損性能和自潤滑性，對輸電導線磨損小，同時又要 求滑板自身磨耗??；3)機械強度高，能經受一定振動和沖擊載荷且不損壞；5)輕量化。炭/炭復合材料是一種用高強炭纖維增強炭基體的新型純炭復合材料，質輕、強 度高和環境服役性好等特殊優勢賦予其廣泛的應用領域。采用CVI法制備的炭/炭復合材 料已在高速電力機車受電弓滑板上試用成功，整體性能大幅度提高，但這種制備工藝周期 較長、成本較高和導電性較差(電阻率為37. 3μ Ω · m)等因素也導致其難以大規模應用。 液相浸漬_炭化是一種低 成本制備炭/炭復合材料的方法，其缺點是酚醛樹脂浸漬劑炭化 形成的酚醛樹脂炭(簡稱酚醛炭)硬度較大且難石墨化炭，降低了材料的導電性能和摩擦 學性能。引入催化劑對熱固性樹脂炭進行催化石墨化，是提高酚醛樹脂炭石墨化度的一種 有效方法。李崇俊等報道向樹脂炭微粉中加入單質硼作為催化劑，在石墨化溫度為2100°C、 催化劑硼用量小于5. 工藝條件下，樹脂炭基炭/炭復合材料的石墨化度達到了 82%， 而無催化劑的炭/炭復合材料在2500°C下石墨化度才達到71%。這表明硼在降低石墨化 溫度和提高石墨化度方面均有明顯作用。但目前由于所采用的催化劑分布不均勻，因此將 其應用于制備滑板炭/炭復合材料的工藝中仍受到很大限制。同時目前并沒有完整的采用 液相浸漬_炭化方法制備受電弓滑板炭/炭復合材料工藝的相關研究。

發明內容
本發明旨在提供一種生產成本低、生產周期短、工藝簡單、適于產業化的制備受電 弓滑板炭/炭復合材料的方法，并且采用該方法制備的受電弓滑板炭/炭復合材料摩擦性 能和導電性能也較高。本發明采用以下方案實現受電弓滑板炭/炭復合材料的制備方法，包括以下工序，(A)向殘炭率在55%以上的熱固性樹脂液中加入硼類催化劑和/或有機分散劑。 其中硼元素質量樹脂質量為(0. 5 1) 100，分散劑使用比例為100克樹脂加入0 50ml分散劑；硼類催化劑可以是硼酸或硼酸有機酯類中的一種，常用的硼酸有機酯有硼酸三 乙酯和硼酸三甲酯；有機分散劑選自液體醇類或液體醛類中的一種，常用的液體醇類有乙 醇、丙醇和乙二醇；常用液體醛類則包括水楊醛和苯甲醛；殘炭率在55%以上熱固性樹脂作為基體炭原料，可以是氨酚醛樹脂、硼酚醛樹脂和呋喃樹脂。(B)將炭纖維編織體浸漬于上述樹脂體系中，浸漬壓力為1. 5 2. OMPa，溫度為 75 85°C，浸漬時間可調，一般為2 3h ；為提高滑板材料的力學性能，作為增強體的炭纖維編織體選自下述材料中的一 種針刺無緯布準三維整體氈、無緯布網胎混合整體氈、三向炭纖維編織整體氈。(C)將上述浸漬了樹脂后的炭纖維編織體進行加壓固化，固化壓力為1.5 2. OMPa,固化溫度為160 180°C，保溫時間可調，一般為2 3h ；(D)將上述固化后的樣品在隔絕空氣條件下，進行炭化處理，炭化處理溫度為 900 1000°C，保溫時間可調，一般為2 3h ；(E)重復B-D三個工序至材料密度不低于1. 60g/cm3 ；由于經過這道反復浸漬-炭 化處理流程之后，材料密度不斷增加，因此稱其為浸漬_炭化增密流程。
(F)之后將經過上述反復浸漬_炭化處理的材料進行石墨化處理，溫度為2000 2400°C，保溫時間可調，一般為2 4h，即制得受電弓滑板炭/炭復合材料。與現有的制備方法相比，本發明具有以下優點1.由于在樹脂中加入硼催化劑，并選用合適的分散劑，一是可以使催化劑均勻 地分散于樹脂中；二是能降低樹脂的粘度或者能提高樹脂的殘炭率，提高樹脂的后續浸 漬-炭化增密效率?？s減了工藝的流程和生產周期。2.根據材料不同的性能要求，可以通過調節催化劑的加入量、催化石墨化的反應 溫度和保溫時間來控制材料的性能和生產成本。3.本發明對生產成本較低的樹脂炭基炭/炭復合材料引入催化劑，通過催化石墨 化的作用改善了樹脂炭基炭/炭復合材料的綜合性能，使得性能優越的炭/炭復合材料廣 泛應用在受電弓滑板材料上成為一種可能。與現行的純碳整體滑板材料相比，抗折強度和 導電性大幅度提高；與CVI法制備的炭/炭復合材料相比，在生產成本和生產周期上優勢明 顯，因此適用于受電弓滑板生產企業的產業化。4.本發明中所采用的基體炭源為價格低廉的熱固性樹脂，催化劑為硼類化合物 (如硼酸和硼酸三乙酯等)，原料普通易得。因此，相對其它炭/炭復合材料，生產成本較低。
具體實施例方式實施例1(A)向IOOg氨酚醛樹脂中加入分散劑無水乙醇30ml，3. 5g催化劑硼酸，配制浸漬 用酚醛樹脂溶液，硼元素質量酚醛樹脂質量約為0.62 100。(B)將針刺無緯布準三維整體氈置于上述酚醛樹脂中浸漬，浸漬工藝在高壓釜中 完成，壓力為1. 5MPa，浸漬溫度為75°C條件，浸漬時間為3h ；(C)將上述浸漬樹脂后的針刺無緯布準三維整體氈置于高壓釜內，進行加壓固化， 固化壓力為1. 5MPa,固化溫度為160°C，保溫時間為3h ；(D)將上述固化后的樣品在隔絕空氣條件下，在馬弗爐中進行炭化處理，溫度為 950°C，保溫時間為2. 5h ；(E)重復B-D三個工序六次，材料密度大于1. 60g/cm3 ；(F)之后將經過上述反復六次的浸漬_炭化處理的材料在石墨化爐中進行石墨化處理，溫度為2400°C，保溫時間為2h，即制得受電弓滑板炭/炭復合材料。采用上述工藝制備得到的受電弓滑板炭/炭復合材料，電阻率16. 8 μ Ω ·πι，摩擦 系數0. 27，磨損量2. 2mm/萬Km，大大優于現有的受電弓滑板材料。實施例2(A)向IOOg硼酚醛樹脂中加入IOml催化劑硼酸三乙酯，配制浸漬用硼酚醛樹脂溶 液，硼元素質量酚醛樹脂質量約為0.66 100；(B)將無緯布網胎混合整體氈置于上述硼酚醛樹脂中浸漬，在高壓釜中，壓力為 2MPa，溫度為80°C條件下，浸漬2h ；(C)將上述浸漬了樹脂后的無緯布網胎混合整體氈于高壓釜內加壓固化，固化壓 力為2MPa，固化溫度為180°C，保溫時間為2h ；(D)將上述固化后的樣品在隔絕空氣條件下，在馬弗爐中進行炭化處理，溫度為 1000°C，保溫時間為3h ；(E)重復B-D三個工序六次，材料密度為1. 62g/cm3 ；(F)之后將經過上述反復六次的浸漬_炭化處理的材料在石墨化爐中升溫進行石 墨化處理，溫度為2200°C，保溫時間為3h，即制得受電弓滑板炭/炭復合材料。上述工藝制備得到的受電弓滑板炭/炭復合材料，電阻率15.6μ Ω ·πι，摩擦系 數0. 26，磨損量2. Omm/萬Km，大大優于現有的受電弓滑板材料。實施例3(A)向IOOg氨酚醛樹脂中，加入分散劑水楊醛40ml和催化劑硼酸5g，配制浸漬用 酚醛樹脂溶液，硼元素質量酚醛樹脂質量約為0.89 100；(B)將針刺無緯布準三維整體氈置于上述酚醛樹脂中浸漬，浸漬工藝在高壓釜中 完成，壓力為2MPa，浸漬溫度為85°C，浸漬時間為2h ；(C)將上述浸漬樹脂后的針刺無緯布準三維整體氈于高壓釜內加壓固化，固化壓 力為1. 5MPa,固化溫度為180°C，保溫時間為2h ；(D)將上述固化后的樣品在隔絕空氣條件下，在馬弗爐中進行炭化處理，溫度為 900°C，保溫時間為3h ；(E)重復B-D三個工序六次，材料密度大于1. 60g/cm3 ；(F)之后將經過上述反復六次的浸漬_炭化處理的材料在石墨化爐中進行石墨化 處理，溫度為2000°C，保溫時間為4h，即制得受電弓滑板炭/炭復合材料。采用上述工藝制備得到的受電弓滑板炭/炭復合材料，電阻率15. 3μ Ω ·πι，摩擦 系數0. 25，磨損量2. Imm/萬Km，大大優于現有的受電弓滑板材料。實施例4(A)向IOOg呋喃樹脂中加入分散劑苯甲醛50ml、催化劑硼酸4g，配制浸漬用呋喃樹脂溶液，硼元素質量酚醛樹脂質量約為0.71 100；(B)將針刺無緯布準三維整體氈置于上述呋喃樹脂中浸漬，浸漬工藝在高壓釜中完成，壓力為1. 5MPa，浸漬溫度為80°C，浸漬時間為2. 5h ；(C)將上述浸漬樹脂后的針刺無緯布準三維整體氈于高壓釜內加壓固化，固化壓力為1. 5MPa，溫度為170°C，保溫時間為2. 5h ；(D)將上述固化后的樣品在隔絕空氣條件下，在馬弗爐中進行炭化處理，溫度為1000°C，保溫時間為2h ；(E)重復B-D三個工序六次，材料密度大于1. 62g/cm3 ；(F)之后將經過上述反復六次的浸漬_炭化處理的材料在石墨化爐中進行石墨化 處理，溫度為2200°C，保溫時間為3h，即制得受電弓滑板炭/炭復合材料。采用上述工藝制備得到的受電弓滑板炭/炭復合材料，電阻率16.1 μ Ω ·πι，摩擦 系數0. 27，磨損量2. Omm/萬Km，大大優于現有的受電弓滑板材料。實施例5(A)向IOOg硼酚醛樹脂中加入15ml催化劑硼酸三甲酯，配制浸漬用硼酚醛樹脂， 硼元素質量酚醛樹脂質量約為0. 98 100 ；(B)將無緯布網胎混合整體氈置于上述硼酚醛樹脂中浸漬，在高壓釜中，壓力為 1. 8MPa，溫度為75°C條件下，浸漬3h ；(C)將上述浸漬了樹脂后的無緯布網胎混合整體氈于高壓釜內加壓固化，固化壓 力為1. 8MPa,固化溫度為170°C，保溫時間為2. 5h ；(D)將上述固化后的樣品在隔絕空氣條件下，在馬弗爐中進行炭化處理，溫度為 950°C，保溫時間為3h ；(E)重復B-D三個工序六次，材料密度為1. 60g/cm3 ；(F)之后將經過上述反復六次的浸漬_炭化處理的材料在石墨化爐中進行石墨化 處理，溫度為2400°C，保溫時間為2h，即制得受電弓滑板炭/炭復合材料。采用上述工藝制備得到的受電弓滑板炭/炭復合材料，電阻率16. 8 μ Ω ·πι，摩擦 系數0. 22，磨損量2. 3mm/萬Km，大大優于現有的受電弓滑板材料。實施例6(A)向IOOg硼酚醛樹脂中加入分散劑丙醇25ml，6g催化劑硼酸，配制浸漬用硼酚 醛樹脂溶液，硼元素質量酚醛樹脂質量約為1.05 100。(B)將針刺無緯布準三維整體氈置于上述硼酚醛樹脂中浸漬，浸漬工藝在高壓釜 中完成，壓力為1. 8MPa，浸漬溫度為80°C條件，浸漬時間為3h ；(C)將上述浸漬樹脂后的針刺無緯布準三維整體氈置于高壓釜內，進行加壓固化， 固化壓力為1. 5MPa,固化溫度為175°C，保溫時間為3h ；(D)將上述固化后的樣品在隔絕空氣條件下，在馬弗爐中進行炭化處理，溫度為 950°C，保溫時間為2. 5h ；(E)重復B-D三個工序六次，材料密度大于1. 62g/cm3 ；(F)之后將經過上述反復六次的浸漬_炭化處理的材料在石墨化爐中進行石墨化 處理，溫度為2100°C，保溫時間為3. 5h，即制得受電弓滑板炭/炭復合材料。上述工藝制備得到的受電弓滑板碳/碳復合材料電阻率16. 5μ Ω ·πι，摩擦系數 0. 24，磨損量2. Imm/萬Km，大大優于現有的受電弓滑板材料。
權利要求
一種受電弓滑板炭/炭復合材料的制備方法，其特征在于包括以下工序，(A)向殘炭率在55％以上的熱固性樹脂液中加入硼類催化劑和/或有機分散劑；其中硼元素質量∶樹脂質量為(0.5～1)∶100，分散劑使用比例為100克樹脂中加入0～50ml分散劑；(B)將炭纖維編織體浸漬于上述樹脂體系中，浸漬壓力為1.5～2.0MPa，溫度為75～85℃；(C)將上述浸漬了樹脂后的炭纖維編織體進行加壓固化，固化壓力為1.5～2.0MPa，溫度為160～180℃；(D)將上述固化后的樣品在隔絕空氣條件下，進行炭化處理，炭化處理溫度為900～1000℃；(E)重復B-D三個工序至材料密度不低于1.60g/cm3；(F)之后將經過上述反復浸漬-炭化處理的材料進行石墨化處理，溫度為2000～2400℃，即制得受電弓滑板炭/炭復合材料。
2.如權利要求1所述的受電弓滑板炭/炭復合材料的制備方法，其特征在于所述硼 類催化劑選自下述物質中的一種硼酸和有機硼酸酯類。
3.如權利要求2所述的受電弓滑板炭/炭復合材料的制備方法，其特征在于所述的 有機硼酸酯類優選硼酸三乙酯和硼酸三甲酯。
4.如權利要求1-3之一所述的受電弓滑板炭/炭復合材料的制備方法，其特征在于 所述的有機分散劑選自下述物質中的一種液體醇類和液體醛類。
5.如權利要求4所述的受電弓滑板炭/炭復合材料的制備方法，其特征在于所述的 液體醇類優選乙醇、丙醇和乙二醇。
6.如權利要求4所述的受電弓滑板炭/炭復合材料的制備方法，其特征在于所述的 液體醛類優選水楊醛和苯甲醛。
7.如權利要求1-3之一所述的受電弓滑板炭/炭復合材料的制備方法，其特征在于 所述的熱固性樹脂優選氨酚醛樹脂、硼酚醛樹脂和熱固性呋喃樹脂。
8.如權利要求4所述的受電弓滑板碳/碳復合材料的制備方法，其特征在于所述的 熱固性樹脂優選氨酚醛樹脂、硼酚醛樹脂和熱固性呋喃樹脂。
9.如權利要求1-3之一所述的受電弓滑板炭/炭復合材料的制備方法，其特征在于 所述的炭纖維編織體選自下述材料中的一種針刺無緯布準三維整體氈、無緯布網胎混合 整體氈、三向炭纖維編織整體氈。
10.如權利要求8所述的受電弓滑板炭/炭復合材料的制備方法，其特征在于所述的 炭纖維編織體選自下述材料中的一種針刺無緯布準三維整體氈、無緯布網胎混合整體氈、 三向炭纖維編織整體氈。
全文摘要
本發明提供了一種受電弓滑板炭/炭復合材料的制備方法，在高殘炭率的樹脂溶液中加入硼催化劑和分散劑，再將其浸漬于炭纖維編織體中，之后經過加壓固化處理和常壓炭化處理，反復上述過程后，最后進行高溫石墨化處理。本發明的制備方法生產成本低、生產周期短、工藝簡單、適于產業化，采用該方法制備的受電弓滑板炭/炭復合材料具有良好的摩擦性能和導電性能。
文檔編號C04B35/622GK101830723SQ20101016069
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月30日 優先權日2010年4月30日
發明者何月德, 劉洪波, 肖紹懿 申請人:湖南大學