受电弓滑板用三维网状铜一碳复合材料的研究

1、受电弓滑板用三维网状铜一碳复合材料的研究第33卷第5期2011年5月铁道JOURNALOFTHECHINARAILWAYSOCIETYVo1.33NO.5Mav2O11文章编号:lOOl一8360(2011)05004305受电弓滑板用三维网状铜一碳复合材料的研究韦强,徐立新,王彦平(1.浙江师范大学工学院,浙江金华321004;2.兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州730070)摘要:利用碳纤维布和铜粉,钛粉,石墨粉等为原料,采用热压成型,烧结等工艺制备三维网状铜一碳复合受电弓滑板.研究受电弓滑板的物理力学性能,利用扫描电镜(SEM)对复合材料的内部结构进行观察,并与当前正在使用的受电弓滑板

2、的性能进行对比.结果表明:铜和碳纤维在空间互成三维网状结构,铜质量分数为4O的复合材料具有较小的电阻率和较好的力学性能.关键词:电力机车;受电弓;滑板;碳纤维布;复合材料中图分类号:TB332;U264.3文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.10018360.2011.05.008StudyonThree._dimensionalNetworkCu._CCompositePantographSlidePlatesWEIQiang,XULixin,WANGYanping.(1_CollegeofEngineering,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua

3、321004,China;2.SchoolofMechatronicsEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)Abstract:Thethreedimensionalnetworkcoppercarboncompositepantographwasobtainedbyhotpressingandsinteringwithcarbonfiber,copperpowderandtitaniumpowder,andgraphitepowderasrawmaterials.Thephysicalandmechanicalpro

4、pertiesofthepantographwerediscussed.Themicrostructureofcompositematerialswasobservedwiththescanningelectronmicroscopy(SEM)andcomparedwiththeperformanceofthecurrentlyusedpantographs.Theresultsshowthatthecopperandcarbonfibermaterialsformathreedimensionalnetworkstructureinspace,andthecompositematerialc

5、onsistingof40copperhasalowresistivityandgoodmechanicalproperties.Keywords:electriclocomotive;pantograph;slide;carbonfiber;composites受电弓滑板是电力机车的关键部件,其特定的工作状态要求其在与导线作高速接触摩擦运动中向机车传输大电流,因此要求滑板材料具有优良的导电性,耐磨性,较高的机械强度和较低的摩擦系数等_1.我国电气化铁路建设规模的扩大及机车运行速度的提高对电力机车受电弓滑板提出了更高要求,而目前国内在役电力机车受电弓的铜基粉末冶金滑板,纯碳滑板,浸金属碳滑板均

6、存在一些问题.铜基粉末冶金滑板以铜合金粉为主要原材料,其优点是硬度高,耐磨性好,强度和导电性能较好;缺点是其对接触网导线磨耗严重,造成导线使用寿命缩短,成本增加.纯碳滑板可在接触网导线上形成一层碳膜,从而有效地保护接触网导收稿日期:2O1O一0809:修回日期:2011-0304基金项目:浙江省科技厅重点攻关项目(2007C21171)作者简介:韦强(1963一),男,浙江东阳人,副教授.E-mail:jhwq线,且在使用过程中对无线电信号干扰很小;缺点是其强度较低,性脆易折断,使用寿命低,易引发弓网事故_2.目前,在国内运用的设计速度大于300km/h的动车均使用进口的纯碳滑板.浸金属碳滑板

7、是将普通碳滑板在高温高压下浸渍液态金属而成.这使液态金属渗入到碳材料的孔隙中,在碳基体中形成细密的金属网状结构,从而减小接触电阻,提高滑板强度,并使碳基体增强润滑性,延长接触网导线的使用寿命.然而,其生产工艺复杂,烧结后的碳材料中经常出现洞孔分布不均匀的现象,使得金属液无法均匀地浸入洞孔,造成其产品质量,技术指标表里不一_5.其运用记录表明,机车行驶7000km左右,可将滑板表层2mm材料磨耗掉,而机车继续行驶70008000km,却将再磨耗10mm有效材料.因此,它的使用寿命不长,运用成本高.44铁道第33卷因此,研制出一种适合我国电气化铁路状况,高效,低成本的新型滑板已是迫切需要.碳纤维布

8、基体具有低密度,高强度,良好的耐腐蚀性和导电性,耐高温等诸多优良特点,常用于高性能的摩擦材料.本文利用导电性好的超细铜粉和润滑性好的石墨粉,以碳纤维布为基体,制备三维网状铜一碳复合材料受电弓滑板,并探讨填料对复合材料性能的影响.1实验过程及其检测1.1实验原材料及制备工艺实验材料主要包括T300斜纹碳纤维布,超细铜粉,钛粉,石墨粉和酚醛树脂等.图1为T300斜纹碳纤维布.其碳纤维直径为7.6m,拉伸强度为3.0GPa,弹性模量为220GPa,碳纤维布的网眼孔径在0.51mm之间.图1T300斜纹编织碳纤维布具体制备工艺步骤:首先将铜粉,石墨粉,钛粉和酚醛树脂均匀混合成糊状胶,按照以下配比方案进

9、行试验:铜质量分数分别为30,40,50;钛和石墨的质量分数均为5,其余为树脂和碳纤维.将糊状胶涂于带网孔的碳纤维布上,使胶中粉料填入到碳纤维布的网孑L和纤维束棱的间隙中,制得复合层;将一层层复合层平铺叠合在一起,直至叠合物的高度达到所需高度为止;放入烘干炉中预烘,使低分子易挥发物挥发,得网状碳一铜复合材料的胚料;将胚料放在热压机上加压加热直至固化,得网状碳一铜复合材料的固化胚料;再将固化胚料放进炭化炉进行烧结,烧结温度为1000,得网状烧结碳一铜复合材料;然后对复合材料进行机械加工,得半成品;最后,在6MPa的压力下,对半成品进行高压浸渍酚醛树脂,以彻底堵掉半成品内的所有微孔,干燥后得网状烧

10、结碳一铜复合材料受电弓滑板的成品.1.2检测方法体积密度测试:试样压制成型后呈长方体,用游标卡尺进行测量.为减小误差,对长,宽,高分3次测量,求其平均值.从而求得试样体积.用天平称出试样的质量.电阻率的测试:电阻率直接反映材料导电性的好坏.本试验采用伏安法.首先将样品磨制成条形样块,在室温下用7081型高精度数字电压表测试出电流为10A时其两端的电压值.从而计算出电阻R.用游标卡尺分别测出样块的长,宽,高各3处,计算出长,宽,高的平均值,由宽和高的数值得出样块的横截面积S.设长为L,由公式o=RS/L,得出.摩擦性能测试:摩擦磨损试验在HT100型高速摩擦磨损试验机上进行.采用销一盘对磨法,盘

11、转动而销不动;试样为盘,直径为60mm;3个对偶销材料为铜合金,直径为8mm;转速为1000r/min,载荷为7ON,摩擦时间为12h.观察复合材料样品的摩擦磨损性能,摩擦力矩数据可直接读出,并计算出摩擦系数.力学性能测试:强度试验在MTS一810型材料试验机上进行.沿与碳纤维布平行方向切割试样,抗压强度试样尺寸为10mm×10mm×10mm;抗弯强度试样为10mm×10mm×60mm;加载速度1mm/rain.材料的冲击韧性采用JBW一300型冲击试验机进行测试.冲击试样的尺寸为10mm×10mm×60mm,无缺口,冲击加载方向垂直

12、于碳纤维布.微观结构观测:采用日本岛津SSX-550型扫描电子显微镜观测.金相观测:采用德国Axioskop2MAT显微镜观测.2实验结果及分析2.1添加不同比例铜粉对复合材料试样性能的影响图2为添加不同比例铜粉的试样的密度变化曲线.由图2可见,试样在压制后,密度lD有所提高.这是由于树脂粘接剂填满所有空隙,在真空烧结时,树脂的其它成分挥发,残留的微小颗粒状碳填充了小空隙,使滑板的密度有所提高.由图2也可看出铜质量分数为50的试样密度相对较大,因此,含铜量较多的滑板的密度也较大.图3为添加不同比例铜粉的试样的电阻率变化曲46铁道第33卷了增韧的作用.从图9(b)中可见,铜粉分布在每一层碳布之间

13、,还有一些分布在纵向的空隙上,充分填补了碳布中的空隙.粉末区的气孔主要由热固性胶在高温时挥发的丙酮气体所致.粉末在高温时熔融,透过碳纤维布的间隙结合在一起,在纤维布中呈现三维网状分布,起到增强碳纤维布强度的作用.图9(c)为一束纤维的放大照片,空洞处为纤维束拔出所留.碳纤维丝直径在图9(c)中标出,从左至右依次为7.56Fm,8.06Fm,8.28m,7.72m.纤维丝表面较为粗糙,这也增大了纤维拔出时的阻力.图9(d)为一束纤维断口的扫描电子显微镜(SEM)照片.碳纤维丝的微观形貌近似圆柱形,每根纤维丝的断裂面不在同一个平面.从图中可见,每束纤维在热固性胶的作用下结合紧密,但每根纤维丝的断口

14、界面平整.相邻纤维丝之间的小间隙为热固性胶和粉末进入提供了机会.(a)碳纤维束整体形态(b)铜一碳层状形态一(c)单个碳纤维束端口形态(d)多个碳纤维束端口形态图9试样截面扫描电镜照片3结论(1)以网孔碳纤维布,酚醛树脂,铜粉,钛粉和石墨组成基本配方,通过热压成型,烧结等工艺,制备出新型三维网状铜一碳复合材料受电弓滑板.(2)改性滑板具有较好的物理机械性能.铜在试样中呈三维网状分布,提高了滑板材料强度,降低了材料的电阻率.该滑板密度为2.13g/cm.,电阻率为11.1Q?In,冲击韧性为4.0J/cm.,抗弯强度为89.4MPa.自制三维网状铜一碳复合材料受电弓滑板具有质量轻,电阻率低,冲击

15、强度高等优点.(3)下一步尚需进行相应的电气磨耗试验.参考文献Ell潘连明,张国荣,钱中良,等.电力机车受电弓滑板J机车车辆工艺,2001,(3):1-4.PANLianming,ZHANGGuorong,QIANZhongliang,eta1.PantographSlidePlatesforElectricLocomotiveJ.Locomotive&RollingStockTechnology,2001,(3):1-4.r2HEDahai,MANORYR.ANovelElectricalContactMaterialwithImprovedSe1f_1ubricationf

16、orRailwayCurrentCollectorsJ.Wear,2001,249(7):626636.3久保俊一.碳系受电弓滑板的开发J.国外机车车辆工艺,2000,(5):4-6.ShunichiKubo.DevelopmentofCarbonPantographSlidePlateJ.ForeignLocomotive&RollingStockTechnology,2000(5):4-6.4AZEVEDOCRF,SINATORAA.FailureAnalysisofaRailwayCopperContactStripJ.EnginecringFailureAnalysis

17、,2004,i1(6):829-841.5梁若清,冯勇祥,陆木林.日本电力机车受电弓滑板的发展及浸金属碳滑板的开发J.机车电传动,1994,(5):4547.LIANGRuoqing,FENGYongxiang,LUMulin.JapanSElectricLocomotivePantographSlideDevelopmentandtheDevelopmentofImmersedMetalCarbonSlideJ.ElectricDriveforLocomotives,1994,(5):4547.6KUBOS,KATOK.EffectofArcDischargeonWearRateofCuim

18、pregnatedCarbonStripinUnlubricatedSlidingAgainstCutrolleyunderElectricCurrentJ.Wear,1998,216(2):172178.72PaulaQueipo,MarcosGranda.PreparationofPitchbasedCarbon-copper-coatedGraphiteFilledPTEECompositesJ.Fuel,2004,83(11-12):16251638.8杨连威,姚广春,陆阳.新型铜一碳复合受电弓滑板的制备J.过程工程,2005,5(4):460463.YANGLian-wei,YAOG

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20、39;AnJiaotongUniversty,2007,41(5):557-561.1OJIAsG,LIUP,RENFZ,eta1.SlidingwearBehaviorofCopperAlloyContactWireagainstCopper-basedStripforHighspeedElectrifiedRailwaysJ.Wear,2007,262(7-8):772777.11陈振华,涂川俊,陈刚,等.改性树脂基滑板的制备及其热磨损性能J.中国有色金属,2007,17(11):17851791.CHENZhen-hua,TUChuan-jun,CHENGang,eta1.Prepara

21、tionandThermalWearPropertiesofModified第5期受电弓滑板三维网状铜一碳复合材料用的研究47Resin-matrixPantographContactStripr-J.TheChineseJournalofNonferrousMetals,2007,17(11):17851791.rl2B0UCHOUCHAA,CHEKROUDS,PAULMIERD.InfluenceoftheElectricalSlidingSpeedonFrictionandWearProcessesinanElectricalContactCopper_stain1essSteelJ.A

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23、headWiresandCurrentCollectorsinLightRailSystemsrJ.Wear,2000,239(1):1020.15中华人民共和国铁道部.TB/T1842.32.08电力机车受电弓滑板第3部分:碳滑板s.北京:中国铁道出版社,2009.(责任编辑武晓明)(1)会议文集,论文集,汇编1张玉心.重载货车高摩擦系数合成闸瓦的研制和应用c/中国铁道学会.国际重载运输协会制动专题讨论会论文集.北京:中国铁道学会,1988:242.2HUNNINGHAKsGw,GADEKJB,szAPIELsV.eta1.TheHumanAlveolarMacrophageC/HARRIS

24、CCed.CulturedHumanCellsandIssuesinBiomedicalReseareh.NewYork:AcademicPress,1980:5456.2.2连续出版物中的析出文献"连续出版物"是一种载有卷期号或年月顺序号,计划无限期地连续出版发行的出版物.主要包括期刊,报纸等.其析出文献的着录项目和格式为:序号析出文献主要责任者.析出文献题名文献类型标志.连续出版物题名:其他题名信息,年,卷(期):页码.(1)期刊序号着者.题(篇)名文献类型标志.刊名:其他刊名信息,出版年,卷号(期号):引文所在起止页码.1杨涛.基于约束推理的车站咽喉图型识别及优化设计模型J.铁道,2006,28(2):1-6.YANGTao.RecognizingoftheSketchoftheStationBottleneckandItsOptimizedDesignModelBasedonConstrainedReasoningJ.JournaloftheChinaRailwaySociety,2006,28(2):1-6.注:中文期刊采用中英文两种文字进行着录,见示例1;英文部分应从该期刊论文的英文摘要中摘录,而不要自行翻译,以确保文献着录的准确性.2YOUCH,LEEKY,CHEYRF,eta1.Electro