碳纖維增強受電弓滑板的制備與性能及摩擦磨損機理的研究.pdf

1、電力機車是一種現(xiàn)代化的鐵路運輸工具，受電弓滑板是其導(dǎo)入電能、提供動力的重要受流部件。目前廣泛使用的電力機車受電弓滑板主要有浸金屬滑板和碳滑板。但是隨著電力機車運行速度的不斷提高，傳統(tǒng)的滑板均顯現(xiàn)出不同程度的缺陷，因此亟需研制出具有高導(dǎo)電率、高強度、耐磨損以及具備良好弓網(wǎng)耦合的受電弓滑板。本文采用碳纖維為增強相，銅為導(dǎo)電相，石墨為潤滑相，改性酚醛樹脂為粘結(jié)劑制備了碳纖維增強的樹脂熱壓型和焙燒型受電弓滑板，并對滑板的配方、工藝、物理性能、電

2、弧侵蝕特性和摩擦磨損機理進行了研究。
　　 采用模壓法制備了樹脂熱壓型滑板，研究了模壓溫度、壓力以及模壓時間對滑板性能的影響，最終確定合理的模壓條件為:預(yù)熱溫度100℃，預(yù)熱時間6min，熱壓溫度170℃，加壓壓力60MPa，模壓時間60min。采用Minitab軟件對不同配方滑板的性能進行模擬分析，確定滑板各配方含量對滑板性能的影響，實驗發(fā)現(xiàn):碳纖維含量是影響試樣沖擊強度的主要因素;導(dǎo)電相銅含量對滑板的電阻率起著至關(guān)重要的作用

3、;纖維含量、石墨含量以及酚醛樹脂含量對試樣的耐磨性能均有較大程度的影響。Minitab擬合分析出試樣的最佳配方為:銅網(wǎng)15wt.％、碳纖維布17wt.％、短切碳纖維5wt.％、酚醛樹脂33wt.％、石墨22wt.％、銅粉5wt.％以及丁腈橡膠3wt.％;該配方下試樣的性能為:電阻率8.63μΩ·m，沖擊強度78kJ·m-2，體積磨損率0.558×10-5mm3·N-1·m-1，摩擦系數(shù)0.200，抗壓強度≥200MPa，抗折強度140～

4、200MPa。
　　 為了提高碳纖維增強受電弓滑板中增強相碳纖維與基體酚醛樹脂的浸潤性，并提高復(fù)合材料的界面強度，本文采用液相氧化/偶聯(lián)劑涂層法對碳纖維表面進行了改性，并采用拉曼光譜(Ramanspectrum，Raman)、光電子能譜(X-rayphotoelectronspectroscopy,XPS)、傅里葉紅外變換光譜(Fouriertransforminfraredspectrometer,FTIR)以及掃描電子顯微鏡

5、(Scanningelectronmicroscope，SEM)對改性前后碳纖維的結(jié)構(gòu)以及形貌進行觀察分析并利用纖度儀及萬能試驗機對碳纖維及其復(fù)合材料的力學(xué)性能進行了測試，結(jié)果表明:隨著液相氧化時間的延長，碳纖維的力學(xué)性能逐漸下降，表面逐漸被刻蝕，碳纖維表面結(jié)構(gòu)的無序度提高，纖維表面含氧官能團含量逐漸上升。APS偶聯(lián)劑處理后，硅醇基會與碳纖維表面的活性官能團反應(yīng)，碳纖維表面的O-C=O官能團含量減少并形成一層薄膜，有利于提高碳纖維的拉伸

6、強度以及斷裂伸長率。經(jīng)過90min液相氧化改性和偶聯(lián)劑處理后，試樣的沖擊強度提高了約35％，層間剪切強度升高約37.7％;隨著液相氧化處理和偶聯(lián)劑處理的時間的延長，碳纖維的體積電阻率有不同程度的升高;改性處理使得滑板試樣的電阻率略有波動，但變化幅度不大;表面處理可以提高滑板的耐磨性能，經(jīng)過APS硅烷偶聯(lián)處理后的滑板磨損量最低，其磨損量比未處理的滑板磨損量降低了約5％。
　　 實驗采用碳化法及液相浸漬致密法制備了焙燒型受電弓滑板并

7、對致密化工藝及效果進行了研究。研究表明:采用800℃碳化處理可提高滑板在瞬間高溫下的熱穩(wěn)定性能。經(jīng)過對酚醛樹脂的黏度與溫度、濃度的關(guān)系分析，得出合理的浸漬條件為:酚醛樹脂乙醇浸漬液濃度60％，浸漬溫度60℃，浸漬時間為1.5h。熱處理后滑板試樣的氣孔率較高，電阻率降低約26％，沖擊強度明顯降低，體積磨損量增加，摩擦系數(shù)降低。致密化之后滑板的電阻率、氣孔率和體積磨損量都是隨著碳化-浸漬次數(shù)的增加而逐漸減小;抗壓強度、抗彎強度以及硬度均隨著

8、碳化-浸漬次數(shù)的增加而逐漸提高。對試樣進行4次碳化-浸漬致密化處理試樣性能較佳，因此在樹脂熱壓型滑板的基礎(chǔ)上，綜合考慮試樣性能以及制備成本等因素，最終采用4次碳化-浸漬工藝來制備樹脂焙燒型滑板。
　　 樹脂熱壓型滑板的磨損率隨著載流密度的提高而逐漸增大，摩擦系數(shù)逐漸減少;磨損率隨著摩擦速度的增加有所增大，基本呈線性增長;在相同速度下，滑板的載流磨損量明顯大于無載流時的磨損量。無載流條件下，試樣的磨損率隨著接觸壓力的增加基本呈線性

9、增長，摩擦系數(shù)逐漸增大并趨于平穩(wěn);載流磨損時，試樣的體積磨損量與電壓呈U型變化。樹脂焙燒型滑板與純碳滑板未載流時的磨損率差別較小，分別為:0.85×10-5mm3·N-1·m-1和0.91×10-5mm3·N-1·m-1;兩種滑板的磨損率均隨著電流密度的增加而增加;這兩種滑板的載流磨損率亦隨著載荷的增加基本呈U型變化，摩擦系數(shù)均有降低的趨勢;三種滑板的載流效率均隨著電流密度的增加而減小;隨著載荷的增加而增大;隨著滑行速度的變化先減小后增

10、大。
　　 樹脂焙燒型滑板對銅輪及銅盤的磨耗均小于樹脂熱壓型滑板，且載流情況下該滑板對銅盤的磨耗情況與純碳滑板的情況相似。樹脂熱壓型滑板和樹脂焙燒型滑板的力學(xué)性能比進口純碳滑板以及國產(chǎn)某短切纖維增強滑板的力學(xué)性能好;，樹脂熱壓型滑板的磨損率與純碳滑板的磨損率相近，樹脂熱壓型滑板的摩擦系數(shù)略高;樹脂焙燒型滑板的耐磨性較進口碳滑板的耐磨性稍差，在相同實驗條件下，國產(chǎn)某滑板對銅盤的磨耗最大，進口純碳滑板對銅盤的磨損最小。兩種碳纖維增強

11、受電弓滑板的性能均優(yōu)異于國產(chǎn)某滑板的性能。
　　 電弧是在摩擦副的接觸-分離過程中形成的，是受電弓/導(dǎo)線系統(tǒng)在滑動受流過程中一種常見的現(xiàn)象。在相同條件下，四種滑板的電弧放電程度從低到高分別為:進口純碳滑板、樹脂焙燒型滑板、樹脂熱壓型滑板和國產(chǎn)某滑板?；逶谳d流摩擦磨損過程中的電弧侵蝕作用主要包括材料轉(zhuǎn)移、熔融噴濺以及蒸發(fā)侵蝕。對滑板的摩擦磨損機理進行了研究，結(jié)果表明:無載流摩擦磨損條件下，樹脂熱壓型滑板和樹脂焙燒型滑板的主要摩擦