碳纖維增強(qiáng)受電弓滑板的制備與性能及摩擦磨損機(jī)理的研究.pdf

1、電力機(jī)車是一種現(xiàn)代化的鐵路運(yùn)輸工具，受電弓滑板是其導(dǎo)入電能、提供動(dòng)力的重要受流部件。目前廣泛使用的電力機(jī)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(jī)車運(yùn)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(qiáng)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(qiáng)相，銅為導(dǎo)電相，石墨為潤(rùn)滑相，改性酚醛樹(shù)脂為粘結(jié)劑制備了碳纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂熱壓型和焙燒型受電弓滑板，并對(duì)滑板的配方、工藝、物理性能、電

2、弧侵蝕特性和摩擦磨損機(jī)理進(jìn)行了研究。
　　 采用模壓法制備了樹(shù)脂熱壓型滑板，研究了模壓溫度、壓力以及模壓時(shí)間對(duì)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(shí)間6min，熱壓溫度170℃，加壓壓力60MPa，模壓時(shí)間60min。采用Minitab軟件對(duì)不同配方滑板的性能進(jìn)行模擬分析，確定滑板各配方含量對(duì)滑板性能的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):碳纖維含量是影響試樣沖擊強(qiáng)度的主要因素;導(dǎo)電相銅含量對(duì)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(shù)脂含量對(duì)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(shù)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(qiáng)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(qiáng)度≥200MPa，抗折強(qiáng)度140～

4、200MPa。
　　 為了提高碳纖維增強(qiáng)受電弓滑板中增強(qiáng)相碳纖維與基體酚醛樹(shù)脂的浸潤(rùn)性，并提高復(fù)合材料的界面強(qiáng)度，本文采用液相氧化/偶聯(lián)劑涂層法對(duì)碳纖維表面進(jìn)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(duì)改性前后碳纖維的結(jié)構(gòu)以及形貌進(jìn)行觀察分析并利用纖度儀及萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)碳纖維及其復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明:隨著液相氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，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(wú)序度提高，纖維表面含氧官能團(tuán)含量逐漸上升。APS偶聯(lián)劑處理后，硅醇基會(huì)與碳纖維表面的活性官能團(tuán)反應(yīng)，碳纖維表面的O-C=O官能團(tuán)含量減少并形成一層薄膜，有利于提高碳纖維的拉伸

6、強(qiáng)度以及斷裂伸長(zhǎng)率。經(jīng)過(guò)90min液相氧化改性和偶聯(lián)劑處理后，試樣的沖擊強(qiáng)度提高了約35％，層間剪切強(qiáng)度升高約37.7％;隨著液相氧化處理和偶聯(lián)劑處理的時(shí)間的延長(zhǎng)，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(dòng)，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(guò)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(shí)驗(yàn)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(duì)致密化工藝及效果進(jìn)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(guò)對(duì)酚醛樹(shù)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(shù)脂乙醇浸漬液濃度60％，浸漬溫度60℃，浸漬時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度、抗彎強(qiáng)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(duì)試樣進(jìn)行4次碳化-浸漬致密化處理試樣性能較佳，因此在樹(shù)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(lái)制備樹(shù)脂焙燒型滑板。
　　 樹(shù)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(zhǎng);在相同速度下，滑板的載流磨損量明顯大于無(wú)載流時(shí)的磨損量。無(wú)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(zhǎng)，摩擦系數(shù)逐漸增大并趨于平穩(wěn);載流磨損時(shí)，試樣的體積磨損量與電壓呈U型變化。樹(shù)脂焙燒型滑板與純碳滑板未載流時(shí)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(shì);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(shù)脂焙燒型滑板對(duì)銅輪及銅盤的磨耗均小于樹(shù)脂熱壓型滑板，且載流情況下該滑板對(duì)銅盤的磨耗情況與純碳滑板的情況相似。樹(shù)脂熱壓型滑板和樹(shù)脂焙燒型滑板的力學(xué)性能比進(jìn)口純碳滑板以及國(guó)產(chǎn)某短切纖維增強(qiáng)滑板的力學(xué)性能好;，樹(shù)脂熱壓型滑板的磨損率與純碳滑板的磨損率相近，樹(shù)脂熱壓型滑板的摩擦系數(shù)略高;樹(shù)脂焙燒型滑板的耐磨性較進(jìn)口碳滑板的耐磨性稍差，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，國(guó)產(chǎn)某滑板對(duì)銅盤的磨耗最大，進(jìn)口純碳滑板對(duì)銅盤的磨損最小。兩種碳纖維增強(qiáng)

11、受電弓滑板的性能均優(yōu)異于國(guó)產(chǎn)某滑板的性能。
　　 電弧是在摩擦副的接觸-分離過(guò)程中形成的，是受電弓/導(dǎo)線系統(tǒng)在滑動(dòng)受流過(guò)程中一種常見(jiàn)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(jìn)口純碳滑板、樹(shù)脂焙燒型滑板、樹(shù)脂熱壓型滑板和國(guó)產(chǎn)某滑板?；逶谳d流摩擦磨損過(guò)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(duì)滑板的摩擦磨損機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:無(wú)載流摩擦磨損條件下，樹(shù)脂熱壓型滑板和樹(shù)脂焙燒型滑板的主要摩擦