滑板结构论文

滑板结构论文（精选5篇）

滑板结构论文 篇1

受电弓滑板是电力机车的灵魂部件,安装在机车顶部,与输电网的接触导线之间通过滑动接触为电力机车供电。优质的受电弓滑板材料必须满足以下性能要求[1]:(1)减摩性能好,对电网导线的磨损小;(2)自身耐磨性好;(3)导电性能好,温升低,散热性能好;(4)力学强度高。粉末冶金受电弓滑板的力学强度高,抗冲击性能较好,电阻率低,具有一定的自润滑性,使用寿命较长,一般可达3.5万~7万km,目前被广泛采用。但由于粉末冶金滑板的基材是金属体,与接触导线材质类似,其对接触导线的磨耗仍十分严重[2]。纯碳滑板的摩擦系数与磨损量均小于金属滑板[3],它滑动时电磁噪声小,且耐高温,耐弧性强,不易与接触导线发生焊附现象。但碳滑板的力学强度低,耐冲击性差,运行中遇到导线硬点易折断和破碎,此外,碳滑板固有电阻大,接触温度高,易引起导线过热氧化,加速导线磨耗。浸金属碳滑板具有纯碳滑板对导线磨耗小和耐弧性强的特点,同时导电性和力学强度比纯碳滑板有所提高,但浸金属碳滑板的力学强度,尤其是抗冲击强度有待进一步提高[4]。新兴的碳纤维复合材料滑板具有优良的摩擦磨损性能、力学性能和导电性能。目前,虽有多家单位进行该产品的研制和开发工作,但在滑板结构上各不相同。对于选定结构的滑板,优化制备工艺是非常必要的。

本实验以酚醛树脂、碳纤维、铜纤维、丁腈橡胶和石墨等组成基本的配方,通过热压成型工艺制备层状结构受电弓滑板。采用正交试验方法,通过测试滑板的冲击性能、电阻率、磨损性能,优化滑板的制备工艺。这对提高层状结构受电弓滑板的性能、降低成本、缩短该滑板的研制周期具有重要意义。

1 实验

1.1 材料

碳纤维是由江苏宇杰碳纤维科技有限公司提供的长度为3~5cm的短切碳纤维,酚醛树脂、硅灰石纤维、石墨、丁腈橡胶、铜网、铜纤维均为市售。

1.2 滑板制备

采用无水乙醇将一定配比的酚醛树脂、碳纤维、丁腈橡胶、石墨粉、硅灰石、铜粉及铜纤维混合料调成糊状,搅拌均匀,晾干。使用前于60℃烘干1h,称取一定质量的铜网,与混合料依次铺入模具(尺寸为15mm×10mm×120mm)中,在YTDT1-100A型塑料制品液压机上按照正交试验方法[5]设计的试验方案(如表1所示)模压成型。压制时放气3次,间隔时间分别为30s、60s、90s。

1.3 性能测试

采用电桥法测滑板电阻,电阻率的计算公式为:

ρ=RS/L (1)

式中:R为电阻值,S为滑板试样的横截面积,L为实际测试长度。

采用XJJ-50型冲击试验机严格按照GB/T1043标准检测滑板的冲击性能αk。滑板试样尺寸为15mm×10mm×120mm,冲击速度为3.8m/s。

采用MM-200型磨损试验机测试滑板的磨损性能。磨损实验测试的对磨材料为铜,其磨轮转速为400r/min,磨轮外径为40mm,压力为20kg,时间为60min,用质量磨损表征磨损量。

磨损量为:

Δm= m1-m2 (2)

式中:m1为磨损前的质量,m2为磨损后的质量。

2 结果与讨论

表2为各因素的级差大小。级差R反映试验中各因素作用的大小,级差大表明该因素对指标的影响大,通常为主要因素,级差小表明该因素对指标的影响小,通常为次要因素[6]。由表2可知,各影响因素对各性能影响的主次顺序为:电阻率,tp>T>t>P;冲击韧性,tp>T>t>P;磨损量,t>T>tp=P。

综合考虑各指标的影响因素的主次关系,可确定受电弓滑板制备工艺影响因素的主次顺序为:加压时机tp,模压温度T,单位厚度保压时间t,模压压力P。

2.1 模压工艺对电阻率的影响

图1为各影响因素与电阻率的关系图,由图1可见电阻率随各影响因素水平变化的波动情况,由级差大小可知加压时机对电阻率的影响最大。由图1(a)可知,随加压时机的延后,电阻率先升高而后降低。加压时机过早,会使液化的树脂在压力作用下从模具的边缘缝隙中溢出,造成缺料,从而使滑板中的导电成分比例显著增加,具有良好的导电性。碳纤维和酚醛树脂的膨胀系数存在很大差异,加压时机的略延虽然避免了物料的溅出,但是各物料来不及均匀分布,造成滑板中气孔过多,影响了受电弓滑板的导电性。加压时机进一步延后,材料内部温度分布较均匀,在压力作用下随液体树脂的流动有层间取向的趋势,并且使固化时产生的气体分子易于排出,气孔率较低,因此电阻率降低。

由图1(b)可知,当模压温度从150℃升至170℃时,随模压温度的升高,滑板的电阻率先升高后降低。因为当温度较低(150℃)时基体树脂的活性低,固化速度较慢,固化过程中虽然出现小孔隙,但固化温度不高,孔隙细小且分布均匀,电子在一定范围内可以绕过一些细小孤立的孔隙,故电阻率较低。当温度升高时,孔隙率提高,细小弥散的气孔聚集成大孔,阻碍了导电通路,电阻率升高。当模压温度再次升高时,加速了气体的排出,反而减小了气孔率,使石墨、碳纤维等物料与基体紧密结合在一起,增加了滑板的致密性,使单位体积内的导电物质增多,电阻率降低。

由图1(c)可知,随单位厚度保压时间的延长,电阻率先降低后升高。当保压时间为4min/mm时电阻率相对最低,这是由于保压时间过短(3min/mm),酚醛树脂没有充分固化,在成型过程中,靠近模具表面的材料先固化,而内部得不到充分固化,在材料内部形成一定的孔隙,故电阻率较高。而保压时间过长(5min/mm),酚醛树脂过渡交联导致收缩率增大,由于各物料之间的膨胀系数不同,材料之间出现微裂纹,不利于导电载流子的流动,故电阻率升高。

由级差可知,模压压力并不是影响受电弓滑板电阻率的主要因素,但模压压力的增加有利于物料的紧密结合,滑板密度和单位体积内导电物质的增加以及导电性的增强。

从提高滑板导电性的角度看,最佳制备工艺是tp=1min,T=150℃,t=4min/mm,P=60MPa。

2.2 模压工艺对冲击韧性的影响

图2为冲击韧性随各因素水平的波动情况。加压时机是影响受电弓滑板冲击韧性的重要因素,加压时机过早造成的不均匀固化及物料缺失将严重影响受电弓滑板的抗冲击能力。随加压时机的延后,配合合理的排气,物料中挥发物质、树脂固化释放出的小分子及混入的空气都能被更好地排出,从而使气孔率降低,滑板的冲击韧性提高。

由图2(b)可知,在一定范围内滑板的冲击韧性随模压温度的升高先降低后升高。塑料是热的不良导体,温度过低时,滑板材料中心和边缘的温差较大,会出现不均匀固化,使制品产生表层残余压应力和内部残余张应力[5],从而使得冲击韧性较低。当温度升高时,物料中小的孔隙积聚成大孔,且物料中的易挥发物质不能及时挥发排出,它们锁入滑板材料中,造成滑板的脆弱点,从而使冲击韧性降低。当温度继续升高时,加速了气体的排出,使气孔率降低,滑板的致密性提高,冲击韧性增强。此外,模压温度较高(>160℃)有利于物料的均匀流动,使各物料均匀牢固地结合且固化均匀,从而提高受电弓滑板的抗冲击能力。总的来说,较高的模压温度有利于提高受电弓滑板的冲击韧性。

保压时间的延长以及较高的压力都有利于提高受电弓滑板的冲击韧性。二者使滑板内物料之间的间隙减小,提高了滑板的致密性,增强了其结合强度,从而提高了抗冲击能力。

对于冲击韧性来说,最佳制备工艺参数是tp=3min,T=170℃,t=5min/mm,P=60MPa。

2.3 模压工艺对磨损量的影响

图3为各影响因素与磨损量的关系图。滑板的耐磨性随保压时间的延长而增强。当保压时间较短时,滑板材料不能均匀固化,造成应力集中、结合强度较低,在摩擦过程中很容易使各物料分离,从而导致磨损量上升。保压时间的延长有利于物料特别是石墨的充分扩散,组织更加均匀,从而在摩擦过程中使石墨的润滑作用得以充分实现。

较高的模压温度有利于减小气孔率,增加滑板的致密性,从而在摩擦过程中使纤维不易剥落。且较高的模压温度有利于固化过程中物料的均匀流动,使各物料牢固结合,从而提高受电弓滑板的耐磨性。

图3(a)显示,加压时机的延后有利于提高受电弓滑板的耐磨性。因为加压时机较早时各物料的流动速度不同,物料来不及均匀分布,特别是石墨不能均匀分布在滑板材料中,从而使石墨在摩擦过程中不能均匀地覆盖在摩擦副接触面,石墨的润滑作用不能得以充分实现,导致磨损量较大。另一方面,加压时机过早使液态的树脂在压力作用下从模具缝中溢出,造成缺料,容易在滑板内部形成大的空隙和脆弱点,从而使磨损量增多。

压力的增大有利于物料的紧密结合,提高其耐磨性,但从图3(d)中发现,当压力过大时反而增加了滑板的磨损量。因为在强大压力作用下碳纤维可能发生断裂,形成脆弱点,在摩擦过程中破损碳纤维及其周边物料容易脱落,从而使磨损量增多。

对于磨损量来说,最佳制备工艺参数是tp=3min,T=170℃,t=5min/mm,P=50MPa。

比较影响因素的主次关系,结合各被测试性能的最优组合,综合考虑得出最佳模压工艺是T=170℃,P=60MPa,t=5min/mm,tp=3min。

2.4 受电弓滑板的表面磨损形貌

图4为采用表1试验7工艺所制的滑板与铜对磨1h后的磨损表面形貌像(不同部位磨损表面的二次电子像)。从图4(a)中可以看到较深且宽的磨痕,即犁沟形磨痕。在摩擦磨损试验中,宏观上平滑的表面实际是凹凸不平的,面的接触实际是若干点的接触[7]。摩擦过程中,接触表面硬的微凸体以及硬的颗粒刺入基体,对材料表面进行切削,形成宽且深的磨痕。由此可知,磨粒磨损是受电弓滑板的磨损形式之一。从图4(b)中可以看到不规则的沟槽。在压力作用下,滑板及铜轮的接触表面在摩擦点产生瞬时高温而发生粘着,由于铜轮的移动使粘着在铜轮上的物质与滑板脱离,从而导致大的磨屑及不规则沟槽的产生。由于滑板沿导线高速滑行,有时速度可达20~30m/s[8],其高温粘着、冲击碎裂倾向十分严重,由此造成的磨损在滑板总磨损中应当占有相当比重。由此可知,受电弓滑板在摩擦过程中最主要的机械磨损形式是粘着磨损和磨粒磨损。

石墨以及具有“乱层石墨”结构的碳纤维具有良好的自润滑和减磨性能[9]。从图4(c)中可以看出,碳纤维部分突出于磨损表面,在磨损过程中,碳纤维成为摩擦的接触点,起到了抗磨作用。此外,覆盖于接触表面的石墨在摩擦过程中也起到润滑剂的作用,从而使接触表面的摩擦力大大减小,磨损降低。优化受电弓滑板的制备工艺对提高滑板材料的耐磨性具有重要意义。选取最佳的滑板制备工艺,不仅能保证滑板物料特别是石墨、碳纤维等减磨材料的均匀分布,同时还能提高材料的致密性,使其在摩擦过程中具有优良的耐磨性。

3 结论

(1)综合考虑各影响因素的作用,根据正交试验得到最佳模压工艺是:模压温度170℃,单位厚度保压时间5min/mm,压力60MPa,加压时机3min。

(2)模压温度和加压时机对滑板的综合性能影响较大。较高的模压温度有利于提高滑板的致密性,而加压时机的适当延后能避免缺料且有利于物料的均匀分布。

(3)受电弓滑板的主要磨损形式是粘着磨损和磨粒磨损,其特征表面磨损形貌分别为不规则沟槽及较深磨痕。

摘要：采用正交试验方法优化受电弓滑板的制备工艺,通过测试滑板的冲击性能、电阻率、磨损性能,确定其最佳制备工艺;利用电子探针对磨损后的表面进行了观察,并分析了受电弓滑板的磨损机理。结果表明,受电弓滑板的主要磨损形式是粘着磨损及磨粒磨损,模压温度和加压时机对滑板的综合性能影响较大。分析得到最佳制备工艺参数为:模压温度T=170℃,单位厚度保压时间t=5min/mm,压力P=60MPa,加压时机tp=3min。

关键词：电力机车,受电弓滑板,碳纤维,复合材料

参考文献

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大滑板的改进 篇2

传统重型卧式车床的上滑板进给传动结构, 通常采用伺服电机通过减速箱降速后驱动滚珠丝杠旋转, 滚珠丝杠螺母带动上滑板作前后方向进给运动, 滚珠丝杠一般使用深沟球轴承定心, 使用推力球轴承对滚珠丝杠进行轴向定位和预紧。在滚珠丝杠的轴承布置结构中, 由于轴承的数量非常多, 使得滚珠丝杠轴承的布置结构非常复杂, 滚珠丝杠副的定心和轴向定位误差非常大, 经常出现上滑板进给精度超差, 不能满足国家精度检验标准要求的问题。

目前, 传统重型卧式车床的大滑板进给传动结构, 一般使用2个齿轮同时与1根齿条啮合传动的结构, 虽然在2个齿轮与齿条啮合的传动链中, 其中1个齿轮经过碟形弹簧进行了预紧, 消除了整套齿轮传动链的部分传动间隙, 但是, 由于齿轮的传动链非常长, 使得齿轮传动的综合累积误差非常大, 使大滑板的进给传动结构存在反向啮合间隙, 导致大滑板的数控精度经常超差, 在大滑板的数控精度超差后, 如果采用更换齿轮的办法, 虽然能够部分消除齿轮之间的啮合间隙, 但是成本太高, 显著降低了机床的性价比。并且, 在机床的使用过程中, 由于齿轮与齿条啮合传动结构本身存在机械磨损, 使机床的数控精度随着机床使用时间的增加而逐渐降低。

另一方面, 在2个齿轮同时与1根齿条啮合传动的结构中, 为了消除齿轮的传动间隙, 传动的2个齿轮的受力方向相反, 将伺服电机的有用输出功率消耗了一部分, 使伺服电机的使用效率显著降低, 为了保证机床的技术参数满足用户的实际要求, 在大滑板的进给传动结构设计中, 只能采用加大伺服电机规格和齿轮模数的办法, 因此, 造成齿轮箱的体积和重量增加, 机床的成本提高, 而机床的性能价格比和市场竞争力却显著降低。

2 解决对策

为了解决上述难题, 笔者公司对卧式车床大滑板和上滑板的进给传动结构进行了技术改进。将上滑板的进给传动结构由齿轮箱减速传动结构, 改进为由伺服电机与减速器直连, 减速器通过联轴器与滚珠丝杠联接的传动结构, 滚珠丝杠的定心和轴向定位轴承由深沟球轴承和推力球轴承改为滚珠丝杠组合轴承。将大滑板的进给传动结构由齿轮箱减速传动结构, 改进为由伺服电机与减速器直连, 减速器的输出轴通过一对齿轮降速后与静压蜗杆蜗母条传动的结构。通过上述进给结构的改进, 大大地提高了大滑板和上滑板的数控定位精度。

3 大滑板和上滑板的结构

1) 大滑板结构示意图如图1。静压大滑板水平运动X轴的静压蜗杆蜗母条结构具有承载能力大、抗振性能好、精度高的优点。静压蜗杆蜗母条的啮合表面处于纯液体摩擦的状态, 静压蜗杆与静压蜗母条的静压摩擦因数和摩擦力非常小, 静压传动副的静压摩擦因数小于0.005, 使用静压蜗杆蜗母条结构的大滑板装置的起制动扭矩和摩擦扭矩都非常小, 伺服电机的进给传动效率非常高。由于静压蜗杆与静压蜗母条之间存在着一层静压油膜, 静压油膜具有吸收大滑板切削力引起振动的作用, 因此静压蜗杆蜗母条的吸振性能非常好。在静压蜗杆齿面的两侧施加有静压预紧力, 静压蜗杆齿面两侧的压力可以相互平衡, 使静压蜗杆齿面两侧的间隙基本相等, 静压蜗杆蜗母条结构的油膜刚度非常高, 承载能力非常大, 相当于无间隙的进给传动, 静压油膜能有效地减小静压蜗杆零件表面粗糙度及几何误差造成的偏差, 提高静压蜗杆的径向、轴向跳动精度, 提高静压蜗杆回转运动的数控精度。使用静压蜗杆蜗母条进给传动结构的数控卧式车床, 大滑板X轴的双向定位精度非常高, 精度保持性非常好, 静压蜗杆蜗母条进给传动结构尤其适合于在重型卧式车床上使用。

1.上滑板2.大滑板3.配油体4.管接头5.蜗杆轴6.静压蜗杆7.减速箱体8.推力圆柱滚子轴承9.双列圆锥滚子轴承10.伺服电机11.减速器

2) 静压大滑板与床身之间的导轨使用静压导轨结构, 并且, 大滑板的后导轨向下加大了一定的厚度, 将大滑板的前导轨与后导轨拉开一定的距离, 使大滑板零件内部形成规则的矩形腔体结构, 提高了大滑板受力导轨的刚度, 在机床满负荷条件下工作时, 大滑板的变形非常小, 大滑板的静压油膜间隙可以正常建立。

钢阻尼滑板支座振动台模型设计 篇3

关键词：振动台,简支梁,桥面,试验模型

0 引言

我国自20世纪60年代开始引进板式橡胶支座,并对其进行了研究和试验[1]。板式橡胶支座具有结构简单、成本低廉、置换方便等优点[2]。板式橡胶支座是公路中小跨径桥梁中经常使用的一种支座[3],但是根据支座病害调查结果,板式橡胶支座在使用过程中容易出现局部脱空、剪切变形超限等问题[4]。四氟滑板橡胶支座是在普通橡胶支座表面附一层2 mm~3 mm的聚四氟乙烯板[5]。聚四氟乙烯滑板橡胶支座属于纯滑动摩擦支座[6],这种支座不易控制梁体与支座间的相对位移。借鉴钢阻尼器的优点,扬长避短,文献[7]提出一种四氟乙烯滑板橡胶支座与钢阻尼器相结合的体系,即钢阻尼滑板支座,如图1所示,该支座结构简单、安装和更换方便、经济性好。文章以一两跨桥面连续简支梁桥振动台试验模型为基础,研究了桥梁相似关系、模型制作与配筋、支座及测点布置等,总结了振动台缩比模型设计经验,为广大学者提供参考。

1 工程背景

拟建的书图大桥位于潮安县凤塘镇,桥位区位于冲积平原,地形平坦,地面标高约1.9 m~14.5 m,桥墩采用柱式墩,桥台采用座板台,联间采用D80伸缩缝。桥梁全长1 248.3 m,桥梁起点桩号为K9+431.5,终点桩号为K10+679.8,中心桩号为K10+055.65。根据GB 18306—2001中国地震动参数区划图及《广东省潮州至惠州高速公路工程场地地震安全性评价报告》,桥址区地震基本烈度为7度,地震动峰值加速度归档为0.15g,桥址区抗震设防类别为B类,抗震设防烈度按8度进行设防。试验采用跨度为25 m的桥面连续简支梁桥进行缩比振动台试验,试验桥跨为两跨。

2 相似关系

较大缩尺比的模型施工方便,尺寸效应的影响也相对较小,地震反应更加接近于原型结构,因此缩尺比宜尽可能取大值;同时由于振动台承载能力、吊车起吊能力、试验场地尺寸等因素的限制,模型的缩尺比又应控制在一定的范围之内,因此需要选择合适的缩尺比以达到较理想的试验结果。根据福州大学振动台系统的试验设备条件,本试验最终确定模型比例尺为1∶5,振动台试验设计相似常数如表1所示。

3 振动台试验模型设计

3.1 墩梁模型设计

合理选取模型材料是模型试验的关键问题之一。模型材料的选取应按照以下原则:

1)满足相似条件的要求;

2)满足试验目的的要求;

3)满足仪器的测量要求;

4)满足易于加工的要求。

为了准确模拟原型结构的动力特性和动力反应,模型尽可能的采用与原型性能相近或相同的材料。桥面板采用C40混凝土制作,其尺寸长度按照1∶5的相似比进行缩尺设计,混凝土强度与实桥基本相同,配筋参照书图大桥桥面板的配筋情况。桥面板总长为5.1 m,宽为2.7 m,纵筋直径采用10 mm钢筋,箍筋直径采用6 mm钢筋。模型桥墩墩柱净高1.32 m,直径为0.27 m。为了将桥墩模型与振动台台面固定,在墩柱底端设置混凝土底座,长宽高为2.4 m×0.72 m×0.36 m,混凝土底座预留孔洞,其位置与振动台台面相应位置锚孔重合,试验时通过螺杆及螺母将混凝土底座与振动台台面固定。桥墩纵筋选用12螺纹钢筋,箍筋选用6光圆钢筋。

3.2 模型制作与安装

桥面板、桥墩模型的施工质量和精度对振动台试验的成败以及试验数据的代表性具有决定性作用,因此应对混凝土及钢材质量、模板加工精度、混凝土浇筑振捣质量、混凝土养护等各个施工环节做好严格把控。

混凝土构件桥面板、桥墩的制作,外模采用木模分段施工,木模易成型,易拆模,且加固后的木模刚度足够,保证不跑模、不变形。桥墩模型施工的基本流程:

1)底座钢筋绑扎和桥墩主筋定位绑扎;2)箍筋绑扎;

3)安装模板;

4)浇筑混凝土。

4 支座试验参数

本试验选用的支座为钢阻尼滑板支座,按照水平刚度相似原理,设计缩比模型用支座。试验模型所用支座参数如表2所示。

5 测点布置设计

根据试验测试内容,需要测试整个试验过程中桥墩和桥面板的位移及加速度、支座的位移和受力、桥墩墩顶和墩底应变等。为了准确测量这些数据,需要提前布置好测试仪器和测试方案。根据钢筋混凝土挡块试件可能发生的破坏形态,电阻应变片主要布置在倒U型剪切钢筋的两肢。本试验在中、边墩内侧挡块倒U型剪切钢筋设置应变片,单侧挡块布置2只,全桥共计12只。纵向钢筋应变片布置,在墩柱墩顶附近一层截面、墩底附近两层截面共计二层截面处的四根纵向钢筋布置了应变片。其中,墩顶截面为墩柱与盖梁的交界面以下10 cm处,墩底截面为墩柱与基座的交界面处。每层截面内布置4只应变片,单只桥墩合计8只,全桥共计24只。为了测量墩柱横向箍筋在地震作用下的应变,在布置纵向钢筋应变片的两层截面内的横向箍筋布置了应变片。每层截面内布置2只应变片,单只桥墩共计4只应变片,全桥共计12只。主梁质量块的加速度传感器布置,在每跨质量块纵向对称中心位置布置纵桥向加速度传感器,两跨合计5只。中墩及振动台台面的加速度传感布置,边墩的加速度传感器布置位置与中墩相同。在桥墩盖梁顶面、墩柱跨中和墩柱顶部各布置2只纵向加速度传感器,在振动台台面布置了1只横向加速度传感器,单只桥墩共计5只加速度传感器,全桥合计15只。主梁质量块位移计布置,在每跨质量块跨中各布置1只位移计,全桥共计2只。为了测量墩梁相对位移,在每墩中间支座位置的混凝土梁处设置位移计,将主梁质量块位移计测量到的位移值减去支座下位移计测量到的位移值即为该支座处发生的墩梁相对位移。模型共布置8只位移计。工况一、二、三中,在每个支座底下安装三压力传感器,全桥共需8只三压力传感器。综上,测试通道数合计98个。

6 结语

在振动台模型的设计、制作及加载过程中,应严格遵循相似理论进行,模型结构只有满足相似条件,才能按相似理论由模型试验结果推算出实际结构的相应地震反应。通过一两跨桥面连续简支梁桥振动台试验模型的建造过程,研究了桥梁相似关系、模型制作及配筋、支座及测点布置等,总结了振动台缩比模型设计经验,为广大学者提供参考。

参考文献

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[6]杨彦飞,王喜堂.桥梁支座及其恢复力模型[J].广州建筑,2008,36(6):11-14.

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不烧低碳滑板中温性能研究 篇5

关键词：不烧滑板,低碳,环保,中温性能

近年来, 国家大力推进环保和节能产品的开发和应用。为适应形势的发展, 推广不 (轻) 烧低碳滑板是较为有效的措施之一, 碳含量约在2%~4%。普通热固性酚醛树脂结合的不烧低碳滑板常温耐压强度随温度升高存在先降低的规律。其中300℃~800℃温度段强度存在一个最低值, 且强度值较低, 增加了滑板使用风险。图1为300℃~800℃温度段不烧低碳滑板常温耐压强度变化情况, 其中500℃左右最低。主要是原因是420℃~530℃之间热固性酚醛树脂分解[1]。而500℃时铝粉还未熔化, 新的结合体系还未形成, 造成的在该温度段内强度低谷的出现。而金属铝粉的熔化 (熔点660℃) 导致金属结合不烧铝碳滑板的高温抗折强度和弹性模量在700℃左右出现最低值[2]。

1 研究现状与思路

1.1 研究现状

针对不烧低碳滑板中温性能较低的难题, 田晓利[3~4]等指出:在金属结合不烧Al2O3-C滑板中引入铝纤维后, 提高了材料700℃的高温抗折强度, 一定程度上改善了金属结合不烧Al2O3-Al-C滑板中温强度低谷的情况;金属锌粉氧化后形成的氧化锌沉积在金属铝粉表面, 改变了金属铝粉熔化、扩散和反应的进程, 有利于材料在较低温度下形成金属结合, 提高中温 (600℃~1100℃) 性能。

2012年11月刘新红等发明的含纳米氧化硅的不烧低碳滑板砖专利中, 采用化学分散辅助超声分散法将纳米二氧化硅分散到含易挥发有机溶剂的酚醛树脂中, 从而通过低温烧结、低温化学反应使不烧低碳滑板的中温性能有较大的改进, 较为妥善地解决了不烧低碳滑板的中温强度较低的问题。王继刚[5]等研制了白炭黑、B4C改性酚醛树脂应用于石墨粘接。甘朝志[6]研制了硼酚醛树脂, 在其他领域中有所应用。

说明:0

现有的解决方法主要归结为引入金属添加剂和改良酚醛树脂。其中改良酚醛树脂的效果较为明显。

1.2 研究思路

不烧低碳滑板的中温强度低谷的出现是由结合体系的不完善造成的。横向裂纹是其表现形式之一。为提高不烧低碳滑板的中温性能, 可采取如下方法: (1) 寻求合适的中温结合剂, 完善结合体系; (2) 通过金属熔化、添加剂促烧、化学反应等途径提高中温性能, 间接替代中温结合剂; (3) 通过工艺途径使滑板渡过中温段, 避免使用中温结合剂。本文主要通过借鉴和采用新的方法 (1) 和 (2) 改善不烧低碳滑板中温性能较低的状况。

2 试验

2.1 试验过程

采用板状刚玉、刚玉微粉、鳞片石墨、α-Al2O3等为原料, 铝粉、碳化硼、碳化硅等为添加剂, 外加4%~5%热固性酚醛树脂作结合剂。部分原料的化学组成见表1。试验用配比见表2。

将称量好的物料按粗、中、细的顺序放入DB-10型多功能拌和机中, 搅拌5 min后, 加入树脂继续混碾30 min后出料。困料24 h后, 用TYE-1000B型压力试验机在200 k N压力下制成圆柱样φ36×36 mm, 在380 k N压力下制成条形样140×25×25 mm。在电热恒温干燥箱中按150℃×24 h烘烤后, 圆柱样中, 3个用于检测常温耐压强度, 3个经500/600/800℃×3 h氧化气氛热处理后检测常温耐压强度, 3个经500/600℃×12 h还原气氛热处理后检测常温耐压强度。条形样用于检测1400℃×0.5 h氧化气氛下高温抗折强度, 常温耐压强度检测使用TYE-1000B型压力试验机进行检测, 高温抗折强度使用GW-1A高温抗折仪进行检测。

2.2 数据处理与分析

2.2.1 铝粉

图2显示, 随铝粉含量提高, 常温耐压强度先降低后提高, 中温强度和高温抗折强度变化不明显。铝熔点为660℃, 铝粉自燃温度为590℃。铝粉随粒度减小, 活化能提高, 熔点降低。

常温强度的变化可能是由于细粉量超过临界点后, 导致增强效果下降;然而随着铝粉含量提高, 材料热导率提高, 加速了烘烤过程中热固性酚醛树脂在148℃的缩聚反应, 因而出现了上述的变化情形。铝粉在500℃前基本未熔化, 只发生表面氧化反应而钝化, 故对强度变化影响不大。在1400℃时, 基本都氧化生成Al2O3或Al4C3, 强度变化不明显。

2.2.2 白炭黑

从图3可以得出, 随白炭黑含量提高, 常温耐压强度降低, 中温耐压强度变化较为复杂, 高温抗折强度先升后降。白炭黑含一个结晶水, 粒度约在20μ左右, 自流性较好, 高温下易产生低熔相。白炭黑与热固性酚醛树脂润湿性较差, 一定程度上减弱了酚醛树脂的结合力, 因此, 加入的白炭黑量越多, 常温耐压强度越低;高温下, 白炭黑可与石墨生成Si C, 提高高温结合强度, 但加入量过量会形成低熔物, 降低高温抗折强度。白炭黑含结晶水, 反应活性下降, 500℃氧化气氛下, 随结晶水的丢失, 材料组织结构疏松, 强度降低。埋碳气氛一定程度上缓解了强度下降的趋势。

2.2.3 含碳树脂粉

从图4可知, 含碳树脂粉可提高常温和中温性能, 但会使高温强度降低。含碳树脂粉炭值85%, 可起到碳源和结合剂的作用。含碳树脂粉类似于固体树脂粉, 常温下无结合强度, 烘烤后产生一定的结合强度, 500℃氧化气氛下, 残留量72%, 有烧结迹象, 颜色不变, 因此, 可提高材料的常温和中温耐压强度, 同时抗氧化性也很好, 500℃氧化气氛处理后试样颜色基本不变;制备试样时, 发现试样表面光洁, 容易成型。从500℃出现烧结迹象可以初步判断含碳树脂粉可能存在残留低熔物, 对于高温抗折强度的提高不利。

2.2.4 复合树脂

复合树脂是指酚醛树脂和聚甲基硅树脂复合后形成的树脂, 随两种树脂的比例变化 (F1, F2, F3) , 滑板材料150℃~800℃强度变化情况见图5。

从图5可知, 调整树脂比例对于滑板材料中温性能影响较大。聚甲基硅树脂[7]耐热性高, 抗氧化性强。在超过最高工作温度时, 树脂不会裂解成碳, 其表面被氧化成硅酸矸, 是理想的中温结合剂。通过调整合适的比例, 可使滑板在150℃~800℃区间内强度梯度趋于缓和, 中温强度值也较高。其中F1试验效果最好, 基本使中温 (500℃) 强度达到了常温 (150℃) 耐压强度的水平, 同时抗氧化性也得到增强, 500℃热处理后试样颜色基本不变。

采用聚甲基硅树脂和酚醛树脂复合, 可充分发挥两者的优势, 较为明显地改善不烧低碳滑板中温性能低谷的情况。但由于技术还不够成熟, 还有待进一步完善。

3 结语

从以上数据看, 通过引入金属或非金属添加剂、树脂粉等方法对于不烧低碳滑板中温性能的提高贡献较小, 效果不够理想。选择有效的结合剂对于不烧低碳滑板的中温性能影响较为直接、明显。不烧低碳滑板中温性能是制约不烧滑板性能提高的重要因素之一。完善结合剂体系, 同时, 不对不烧低碳滑板高温性能等造成较大的影响, 是选择结合剂时应该考虑的。引入聚甲基硅树脂会降低不烧低碳滑板的高温性能。硅酸矸易产生低熔相, 可以考虑引入部分添加剂减弱它对高温性能的影响。

聚甲基硅树脂和酚醛树脂复合后形成的树脂可较为明显地改善不烧低碳滑板的中温性能问题。但由于技术还不够成熟, 应用范围受到一定限制。

参考文献

[1]Anton Schranner, Stephan Knapp.酚醛树脂的固化与分解研究 (热分析联用技术和气体分析) ——热分析应用文集[Z].NETZSCH-Ger?tebau GmbH, Selb/Germany.

[2]田晓利, 薛群虎, 薛崇勃, 等.金属结合不烧铝碳滑板的中温力学性能研究[J].硅酸盐通报, 2008 (5) :150-153, 157.

[3]田晓利, 薛群虎, 薛崇勃, 等.金属铝纤维引入对不烧Al2O3-Al-C滑板中温性能和纤维结构的影响[J].工业炉, 2009 (1) :45-48.

[4]田晓利, 薛群虎, 薛崇勃, 等.Z n对Al2O3-Al-C滑板中温性能和显微结构的影响[J].硅酸盐通报, 2010 (11) :2199-2204.

[5]王继刚.白炭黑、B4C改性酚醛树脂热解过程的外红分析[J].材料科学与工程, 2000, 18 (3) :69, 73-76.

[6]甘朝志.鹏酚醛树脂的研制[J].贵州化工, 1998 (3) :17-19.