層狀結(jié)構(gòu)受電弓滑板的制備及性能研究.pdf

1、受電弓滑板是電力機(jī)犖獲取動(dòng)力能源的主要集電元件，它的質(zhì)量對(duì)電力機(jī)車的受流狀況及接觸導(dǎo)線的壽命具有重要影響，目前常用的滑板按照其材質(zhì)的不同可分為碳系滑板、金屬系滑板和復(fù)合材料滑板三種類型。隨著列車運(yùn)營速度的不斷提高，傳統(tǒng)的滑板已不能滿足高速列車的要求。本文針對(duì)現(xiàn)有滑板存在的缺點(diǎn)，研制出一種新型結(jié)構(gòu)的受電弓滑板材料。該滑板以層狀鋪設(shè)的銅網(wǎng)做骨架以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的導(dǎo)電性，銅網(wǎng)間的復(fù)合材料層提供了良好的減磨耐磨特性。本文圍繞層狀結(jié)構(gòu)受電弓滑板的研制，

2、開展了對(duì)滑板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、配方和工藝優(yōu)化等方面的研究，通過對(duì)比滑板的導(dǎo)電、抗沖擊和耐磨性能，確定滑板的最優(yōu)配方和工藝，并對(duì)滑板的導(dǎo)電和磨損機(jī)理進(jìn)行了分析。
　　 在受電弓滑板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，綜合考慮復(fù)合材料組分和銅網(wǎng)對(duì)滑板電阻率、沖擊強(qiáng)度和摩擦性能的影響，確定了滑板的結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，銅網(wǎng)的最佳尺寸為孔徑3.16mm×6.3mm，厚度0.48mm。
　　 對(duì)層狀結(jié)構(gòu)樹脂基滑板中復(fù)合材料的組成進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析了樹脂含量和纖維類型對(duì)

3、滑板性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)酚醛樹脂含量的變化對(duì)滑板電阻率的影響較小;沖擊強(qiáng)度隨酚醛樹脂含量的增加而降低，在酚醛樹脂含量較低時(shí)，沖擊斷面與沖擊載荷的方向有一定的角度，說明纖維增強(qiáng)體起到了改變裂紋方向和延緩裂紋擴(kuò)展的作用，沖擊強(qiáng)度較高;而酚醛樹脂含量較高時(shí)，滑板的沖擊斷口平整，與載荷加載方向在一個(gè)平面，呈脆性斷裂，沖擊強(qiáng)度較低;磨損量隨酚醛樹脂含量的增加先減小后增大，在樹脂含量為26.4％時(shí)，磨損量最低，從而確定26.4％為樹脂基滑板的最佳樹

4、脂含量。通過對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料滑板的載流磨損現(xiàn)象和性能的研究發(fā)現(xiàn):碳纖維的加入有利于提高滑板的導(dǎo)電性和耐磨性;銅纖維的加入有利于提高滑板的導(dǎo)電性，改善電弧燒蝕現(xiàn)象;硅灰石纖維的加入改善了滑板的摩擦特性。確定采用碳纖維、銅纖維和硅灰石纖維作為滑板的混雜增強(qiáng)纖維。
　　 采用均勻設(shè)計(jì)和回歸分析的方法對(duì)滑板的配方組成進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)碳纖維、石墨、硅灰石纖維、銅粉和銅纖維五個(gè)因素的混料問題進(jìn)行均勻設(shè)計(jì)，并對(duì)滑板的性能進(jìn)行回歸分析，分析各因素

5、對(duì)材料性能的影響程度，確定滑板的最佳配方。結(jié)果發(fā)現(xiàn):電阻率與銅纖維的含量大致呈線性關(guān)系，隨銅纖維含量的增加而降低;沖擊強(qiáng)度與碳纖維的含量有關(guān)，隨著碳纖維含量的增加而增大;摩擦系數(shù)主要受碳纖維、石墨和硅灰石纖維含量的影響;影響滑板磨損量的因素較多，碳纖維、石墨、硅灰石纖維和銅纖維的含量對(duì)該性能均有一定程度的影響，其中碳纖維、石墨和硅灰石纖維的交互作用明顯。根據(jù)均勻設(shè)計(jì)和回歸分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)配方進(jìn)行優(yōu)化，確定層狀結(jié)構(gòu)樹脂基受電弓滑板的

6、最優(yōu)配方為:酚醛樹脂26.4％，丁腈橡膠2.4％，碳纖維15.2％，石墨14.2％，硅灰石4.8％，銅纖維8％，銅粉5％，銅網(wǎng)24％。
　　 通過正交試驗(yàn)優(yōu)化滑板的模壓制備工藝，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和極差大小，確定模壓工藝參數(shù)對(duì)滑板綜合性能的影響順序?yàn)?加壓時(shí)機(jī)＞模壓溫度＞保壓時(shí)間＞模壓壓力;最佳模壓工藝為:模壓溫度170℃，模壓壓力60MPa，單位厚度保壓時(shí)間5min·mm-1，加壓時(shí)機(jī)3min。
　　 應(yīng)用XRD、Raman

7、、SEM和FTIR實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)濃硝酸氧化處理前后碳纖維結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征，從而選擇最佳的氧化處理時(shí)間;將硝酸處理后的纖維進(jìn)行硅烷偶聯(lián)處理，分析表面處理對(duì)滑板性能的影響。結(jié)果表明硝酸處理并未改變碳纖維的本體結(jié)構(gòu)，隨著液相氧化時(shí)間的延長，碳纖維表面的晶粒尺寸略有減小，表面結(jié)構(gòu)趨于紊亂，無序結(jié)構(gòu)與石墨結(jié)構(gòu)的比值R隨處理時(shí)間的延長而增大;氧化處理使碳纖維的表面溝槽增多并加深，當(dāng)氧化時(shí)間達(dá)到12h時(shí)，纖維表面有凹坑和孔洞出現(xiàn)，對(duì)纖維的損傷較大;經(jīng)

8、過9h硝酸處理后，F(xiàn)TIR可觀察到-COOH，-OH等官能團(tuán)的吸收峰，因此選擇最佳液相氧化時(shí)間為9h;將硝酸處理9h后的碳纖維進(jìn)行硅烷偶聯(lián)處理，處理后纖維表面的軸向溝槽變淺，偶聯(lián)劑起到了覆蓋微裂紋和溝槽的作用。采用兩種表面處理后的碳纖維制備受電弓滑板，表面處理對(duì)滑板電阻率的影響不大，硅烷偶聯(lián)復(fù)合處理使滑板的電阻率略有升高;硝酸氧化處理后，滑板的沖擊強(qiáng)度略有升高，硅烷偶聯(lián)復(fù)合處理的滑板沖擊強(qiáng)度比未處理的提高了37％，從沖擊斷面的SEM圖分

9、析，硅烷處理提高了樹脂與纖維的界面結(jié)合強(qiáng)度，拔出的碳纖維表面上粘附一層厚薄不均勻的樹脂，硅烷偶聯(lián)劑中的柔性基團(tuán)的存在有利于沖擊能的吸收;碳纖維的兩種表面處理均提高了滑板的耐磨性，硅烷偶聯(lián)復(fù)合處理使滑板的磨損量比未處理的滑板降低了32％。因此硅烷偶聯(lián)復(fù)合處理是提高滑板性能的有效表面改性方式。
　　 為提高樹脂基滑板的耐溫性能，對(duì)滑板進(jìn)行焙燒處理，分析焙燒溫度對(duì)滑板性能的影響，從而確定最佳焙燒溫度為600℃。為提高焙燒后滑板的性能，

10、對(duì)滑板進(jìn)行致密化處理。結(jié)果表明隨焙燒-浸漬次數(shù)的增加，滑板的密度、導(dǎo)電性、沖擊強(qiáng)度和耐磨性與一次焙燒處理后的滑板試樣相比均得到提高，除導(dǎo)電性能外，經(jīng)過致密化處理后的試樣性能仍低于未焙燒處理的滑板試樣，纖維與樹脂之間仍有孔隙存在，制約著滑板性能的提高;隨浸漬次數(shù)的增加，試樣的可增重比例減小，當(dāng)浸漬3次之后，滑板的性能變化較小，確定滑板的最佳致密化工藝為焙燒4次、浸漬3次。通過對(duì)焙燒型滑板中酚醛樹脂含量對(duì)滑板性能影響的研究，最終確定焙燒型滑

11、板的配比為:酚醛樹脂25.8％，碳纖維15.2％，硅灰石4.8％，石墨14.2％，銅纖維8％，銅網(wǎng)24％，銅粉8％。
　　 通過SEM和EDS技術(shù)對(duì)不同類型滑板的磨損表面形貌進(jìn)行分析，討論滑板的機(jī)械磨損機(jī)理，結(jié)果表明添加銅纖維和銅網(wǎng)后，滑板的磨損形式由涂抹型的粘著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)椴羵偷恼持p，對(duì)碳纖維進(jìn)行硅烷偶聯(lián)改性可增加纖維與基體的粘結(jié)力，耐磨性提高;樹脂基滑板的磨損機(jī)理為擦傷型的粘著磨損;隨焙燒處理溫度的提高，滑板的磨損形式由