連續炭纖維增強受電弓滑板致密化及其性能

袁 華，王成國，盧文博，張 姍，陳 旸，謝 奔

（1山東大學材料科學與工程學院材料液固結構演變與加工教育部重點實驗室，濟南250061；2山東大學材料科學與工程學院炭纖維工程技術研究中心，濟南250061）

連續炭纖維增強受電弓滑板致密化及其性能

袁 華1，2，王成國2，盧文博2，張 姍2，陳 旸2，謝 奔2

（1山東大學材料科學與工程學院材料液固結構演變與加工教育部重點實驗室，濟南250061；2山東大學材料科學與工程學院炭纖維工程技術研究中心，濟南250061）

滑動受流條件下，樹脂基滑板材料的溫升會影響滑板使用的穩定性。采用炭化－液相浸漬法對滑板進行熱穩定性及致密化處理，系統分析了熱處理前后滑板性能的變化，并對致密化效果進行評價，利用磨損表面掃描圖像分析摩擦磨損機理。結果表明：經過800℃熱處理后，滑板的耐溫性提高；熱處理及浸漬后，受電弓滑板試樣電阻率明顯減小，熱處理之后電阻率降低約100%；沖擊強度降低，摩擦因數增大，體積磨損量增加；經過4次致密化處理后，滑板的氣孔率下降約45%；沖擊性能和摩擦磨損性能有所提高；未熱處理的受電弓滑板在摩擦過程中主要的機械磨損形式是磨粒磨損和黏著磨損；熱處理后磨粒磨損是主要磨損形式。

炭纖維；液相浸漬；電阻率；氣孔率；摩擦磨損機理

鐵路的電氣化和高速化是目前世界鐵路運輸發展的趨勢。隨著中國經濟的快速發展，中國鐵路電氣化建設也進入一個嶄新的發展時期，對弓網系統提出了更高的要求［1－3］。受電弓滑板作為重要的載流元件，在受流條件下與接觸導線摩擦產生的熱量會使得受電弓表面溫升較大，而酚醛樹脂在300℃有氧環境中會開始發生分解，會縮短樹脂基滑板的使用壽命［4－6］。為了避免出現樹脂裂解以及炭化后的大量氣孔存在所導致的滑板性能下降，需要對滑板進行熱處理和致密化處理。液相浸漬法（IC）具有工藝簡單易操作實施［7，8］的特點，因此本工作采用液相浸漬法對滑板試樣進行致密化處理，研究熱處理后滑板性能的變化，并對致密化效果進行評價。

1 實驗

1．1 炭纖維的性能

本實驗所用炭纖維的性能在表1中所示。炭纖維密度采用Archimedes排水法進行測試；拉伸性能使用深圳SANS萬能試驗機，按照國標GB／T3362—2005進行炭纖維試樣制備和測試，試樣的拉伸速率為2mm／min。炭纖維電阻率的測試采用四端子法，測量10次取平均值。

表1 實驗所用炭纖維的性能Table 1 The mechanical properties of the carbon fiber

1．2 試樣制備

按照表2所示配方，將溶有一定量的改性酚醛樹脂、石墨、丁腈橡膠及碳化硅的酒精溶劑涂覆于炭纖維布上，在50℃下烘干，與10%的銅網依次鋪層，用YB32－100C型熱壓機模壓固化制備成連續炭纖維增強滑板試樣，熱壓溫度為170℃，熱壓時間為1h。試樣在800℃氮氣氣氛中熱處理后，在酚醛樹脂酒精溶液中加壓浸漬1h，溫度為60℃，壓力為1．2MPa。

表2 受電弓滑板的實驗配方Table 2 Chemical compositions of pantograph slide plate

1．3 分析與測試

實驗分別采用電橋法、擺錘實驗測試電阻及沖擊強度；在MM－200摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損性能測試，對磨相為銅，磨輪轉速為400r／min，載荷200N，時間1h；每5min記錄一次力矩數值，用于計算摩擦因數；采用Archimedes排水法測量材料的體積密度；按照JB／T 8133．15—1999采用水煮法測量材料的開孔氣孔率；采用JSM－6700F場發射掃描電鏡觀察試樣的摩擦磨損形貌；使用熱重分析儀分析炭化處理前后酚醛試樣的熱穩定性。

2 結果與討論

2．1 酚醛樹脂結構和熱穩定性分析

受電弓滑板表面在受流磨損情況下會產生高的熱量，從而導致復合材料滑板中的樹脂成分發生裂解產生小分子氣體，形成氣孔，降低滑板性能，因此為保證滑板材料的穩定性需要對試樣進行熱處理。為了分析試樣不同熱處理溫度下酚醛樹脂的結構，利用Bruker Alpha型紅外光譜儀對酚醛樹脂進行紅外光譜分析測試，紅外譜圖如圖1所示。從圖1可以看出，隨著炭化溫度的升高，酚核上—OH在3300cm－1處的伸縮振動特征吸收峰及—CH2—在2924，2896cm－1及1470cm－1峰逐漸減弱并消失，保留了芳環的峰。這表明了酚醛樹脂在高溫處理時發生了分子間脫水、環化、分子內脫氫過程，形成多并苯結構［9］。當熱處理溫度達到800℃時，紅外譜圖中各個特征峰均不明顯，說明樹脂發生反應較完全。因此對滑板試樣采取N2氣氛下800℃熱處理。

圖1 酚醛樹脂的FTIR譜圖Fig．1 FTIR spectrogram of phenolic resin

由于滑板在瞬時高溫下發生反應的主要成分為酚醛樹脂，因此本工作研究了800℃熱處理對酚醛樹脂熱穩定性的影響。圖2是800℃熱處理前后酚醛樹脂在空氣氣氛中升溫到500℃的TG曲線。對比曲線可以看出，炭化處理后，酚醛樹脂的熱穩定性明顯提高，在空氣氣氛下，開始出現明顯失重的溫度分別為300℃和460℃。這說明在N2氣氛中進行炭化，可提高滑板材料在空氣中的耐溫性。

圖2 酚醛樹脂熱處理前后的TG曲線Fig．2 TG curve of phenolic resin

2．2 熱處理前后試樣性能對比

表3表示的是國標TB／T1842．3—2008對炭滑板性能要求及模壓成型后、一次炭化后和一次炭化－浸漬固化后試樣的性能對比，如表3所示。

從表3中可以看出：熱處理前后試樣的性能均能滿足TB／T1842．3—2008的指標要求；熱處理之后以及一次炭化－浸漬處理之后試樣的電阻率有明顯的降低，熱處理之后電阻率降低約50%，這是因為酚醛樹脂熱解生成樹脂炭，比其自身的導電率要好。另外，加壓浸漬后酚醛樹脂浸漬液填充試樣的開孔使得基體連續性增加，所以電阻率下降。樹脂裂解之后的炭骨架結構較疏松，強度低，與纖維的黏結性差，影響了沖擊載荷作用下的應力傳輸，因此沖擊強度在熱處理以及一次炭化之后降低較大。另外，從表3中還可以看出，熱處理之后材料的摩擦因數增大，體積磨損量增加；而炭化－浸漬之后摩擦因數減小。這可以解釋為樹脂炭結構疏松耐磨損性能較差，在發生摩擦磨損時樹脂炭以及炭纖維容易從材料中脫落，造成磨粒磨損，增大了摩擦因數，磨損量也隨之升高；而炭化－浸漬之后雖然試樣的結構相對未處理時較疏松，容易造成磨粒磨損，但是同時脫落的石墨較易在摩擦副上形成良好的潤滑膜，因此摩擦因數有所降低，磨損量較高。

表3 炭滑板、模壓及炭化／炭化浸漬后試樣性能比較Table 3 Mechanical performance requirements and performance contrast of slide plate

2．3 浸漬－炭化次數對電阻率及磨損量的影響

經過一次液相浸漬工藝后，C／C復合材料制品仍結構疏松，內部含有大量孔隙空洞，需反復進行浸漬－炭化過程使制品孔隙逐漸被充滿，達到所需要的致密度，因此本工作對試樣進行了反復的浸漬－炭化處理，并對浸漬次數對滑板的磨損量、電阻率的影響進行了研究，如圖3所示（0是未處理時的試樣性能；1～4分別代表炭化處理1～4次時試樣的性能）。從圖4可以直觀地看出致密化之后滑板的電阻率和體積磨損量都是隨著炭化－浸漬次數的增加而逐漸減小，這是因為熱處理之后酚醛樹脂發生裂解變成結構疏松的樹脂炭（殘炭率約為50%［10］），酚醛樹脂熱裂解產生的炭骨架的電阻率低于酚醛樹脂自身的電阻率，同時隨著材料的失重，銅的含量相對增加，因此滑板的電阻率有較明顯的下降；而后續浸漬－炭化過程會使試樣結構致密連續，電阻率有所降低；同理，致密化處理會使試樣的體積磨損量減小。

2．4 滑板氣孔率的變化

圖3 炭化－浸漬次數與電阻率、磨損量的關系Fig．3 Resistivity and abrasion loss with the time of carbonization－impregnation

由于C／C復合材料在致密化過程中會產生瓶頸型的孔隙，并且炭化過程中揮發組分的釋放會產生殘留的氣泡結構孔；高溫處理時，加熱或冷卻過程中會形成熱應力裂紋，浸漬過程中也不可避免地形成很多無法填充的閉孔，所以C／C復合材料總是存在一定的孔隙率。致密化處理后，填充的基體可以承受或傳遞一部分外應力，從而使材料整體的力學性能提高，因此對熱處理前后以及浸漬后滑板的氣孔率的研究十分必要。圖4是氣孔率隨浸漬－炭化次數的變化。

圖4 氣孔率隨浸漬－炭化次數的變化Fig．4 Porosity with the times of carbonization－impregnation

從圖4中可以看出，試樣的開孔氣孔率隨著炭化次數的增加而逐漸減小，浸漬進入試樣中的樹脂在炭化過程中會產生填充增重并在試樣中形成部分的閉孔，因此材料的氣孔率隨炭化－浸漬的次數而逐漸降低，四次浸漬－炭化后，開孔氣孔率下降約50%；孔隙率的變小，有利于提高材料的性能［11］。雖然液相浸漬炭化過程中總會使得復合材料具有細小的孔洞，但是C．P．Ju［12］認為，復合材料中合適的氣孔度存在最易使具有潤滑效果的摩擦膜形成，有利于提高材料的耐磨性。

2．5 摩擦磨損機理

實驗材料的耐摩擦磨損性能是表征試樣應用性能的一個重要指標，因此本工作還對熱處理前后試樣的摩擦磨損圖像進行了研究，并分析了摩擦磨損機理。圖5表示的是熱處理前后試樣磨損面的掃描圖像及對應的EDS圖片；表4表示的是磨損表面元素含量。

圖5 熱處理前（a）后（b）試樣掃描及EDS圖片 （1）SEM圖片；（2）EDS－C；（3）EDS－Cu；Fig．5 SEM and EDS graphics for specimen （a）untreated；（b）after treatment at 800℃；（1）SEM photo；（2）EDS－C；（3）EDS－Cu

表4 熱處理前后磨損表面C，O，Cu元素相對含量（質量分數／%）Table 4 Worn surface C，O，Cu elements relative content before and after carbonization（mass fraction／%）

圖5（a－1），（b－1）可見明顯的磨痕，摩擦學認為任何摩擦副表面都不是理想的光滑表面，而是存在大量微凸體，摩擦過程中，微凸體脫落成為第三相（磨粒），對材料表面進行切削形成磨痕［1，13］，是典型的磨粒磨損。熱處理后，酚醛樹脂分解生成樹脂炭，其結晶程度低，為無定形炭，硬度較高，在摩擦過程中容易被剪切脫落成為細小磨屑［14，15］，形成磨粒后對摩擦副造成刮傷，會增大摩擦力和摩擦因數，導致耐磨損性能變差。因此熱處理前后都存在著磨粒磨損。

從EDS圖及表4中可以看出，試樣磨損面中碳元素以及銅元素較均勻地分布在滑板的表面，且未處理試樣的碳元素少于處理后試樣表面的碳元素。未處理時材料磨損表面的銅元素含量（約為38%）遠高于試樣配方中的銅含量，這表明了滑板在摩擦磨損中均存在黏著磨損，未處理試樣的黏著磨損較嚴重，并且對銅磨輪造成較大磨損，所以表面銅元素含量高，分布均勻。熱處理后試樣的主要磨損形式是磨粒磨損，樹脂碳隨著摩擦磨損的進行從材料表面脫落，進而黏著在試樣表面，所以表面的碳元素含量較高。

從圖5中可見炭纖維裸露突出于磨損表面，纖維束提高了材料導熱系數，能減少氧化磨損［16］，提高材料的抗磨性。由圖5（b）可以發現，炭化后材料中出現了氣孔以及裂紋。這是因為熱處理之后酚醛樹脂高溫分解轉化為非晶態炭，酚醛樹脂的殘炭率約為50%［10］，樹脂出現較大體積收縮，導致試樣中有孔隙和裂紋存在。

因此，未熱處理的受電弓滑板在摩擦過程中主要的機械磨損形式是磨粒磨損和黏著磨損；熱處理后磨粒磨損是主要磨損形式。

3 結論

（1）炭化后樣品相比表現出較好的耐高溫氧化性，因此炭化處理可提高滑板在瞬間高溫下的熱穩定性能。

（2）熱處理前后試樣的性能均能滿足國標TB／T1842．3—2008性能指標要求；熱處理以及一次炭化浸漬之后試樣的電阻率有明顯的降低，熱處理之后電阻率降低約50%，沖擊強度降低，體積磨損量增加；致密化之后滑板的電阻率和體積磨損量都是隨著炭化－浸漬次數的增加而逐漸減小。

（3）材料的氣孔率隨炭化－浸漬的次數而逐漸降低，四次浸漬－炭化后，試樣中開孔氣孔率下降約50%。

（4）未熱處理的受電弓滑板在摩擦過程中主要的機械磨損形式是磨粒磨損和黏著磨損；熱處理后磨粒磨損是主要磨損形式。

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Densification and Properties of Continuous Carbon Fiber Reinforced Contact Strip

YUAN Hua1，2，WANG Cheng－guo2，LU Wen－bo2，ZHANG Shan2，CHEN Yang2，XIE Ben2
（1 Key Laboratory for Liquid－solid Structural Evolution and Processing of Materials（Ministry of Education），Shandong University，Jinan 250061，China；2 Carbon Fibre Engineering Research Center，School of Material Science and Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

In current－carrying wear condition，the temperature increase of material could affect the thermal reliability of resin－based contact strip greatly．The carbonization－liquid impregnation on the contact strip for thermal stability and densification was adopted．The influence of this method on the contact strip was investigated，meanwhile，the densification effect was evaluated，and SEM was used to analyze friction and wear mechanism．The results showed that the thermal reliability of phenolic resin are enhanced after 800°C heat treatment；the contact strip specimen resistivity decreases significantly（about 100%after carbonization）and the impact strength decreased；and friction coefficient and wear volume increased．After four times densification treatment，the porosity is decreased about 45%，and the impact property and wear performance are both improved．The mechanical wear of contact strip specimen are abrasive wear，adhesive wear and accompanied by oxidation without heat treatment；while after heat treatment，abrasive wear is the main wear form．

carbon fiber；liquid impregnation；resistivity；porosity；friction and wear mechanism

TB332

A

1001－4381（2012）07－0005－05

國際科技合作項目（2009DFR50600）；國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）資助項目（2011CB605601）；國家自然科學基金（50902088）；山東省自然科學基金（ZR2009FQ013）

2011－08－22；

2012－02－22

袁華（1985－），女，博士研究生，主要從事炭纖維及其復合材料制備研究，聯系地址：山東省濟南市歷下區經十路17923號山東大學高分子所（250061），E－mail：yuanhua9696＠yahoo．cn