本發(fā)明屬于電力機(jī)車技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳纖維增強(qiáng)受電弓碳滑板的制備方法。

背景技術(shù)：

電力牽引的高速列車是通過受電弓碳滑板系統(tǒng)不間斷地與接觸網(wǎng)導(dǎo)線摩擦接觸，將電網(wǎng)上的電流引導(dǎo)下來，傳輸給機(jī)車電力系統(tǒng)來維持電力機(jī)車正常運(yùn)行的。受電弓碳滑板是一種集高導(dǎo)電性、抗磨性和減摩性能于一體的電接觸材料。由于受電弓碳滑板長期暴露在自然環(huán)境中，常在干燥、潮濕甚至沙塵和雨雪等惡劣天氣下工作，而且，在高速運(yùn)行過程中，滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線不斷產(chǎn)生電沖擊與機(jī)械沖擊磨耗，因而成為電力機(jī)車中更換最頻繁，消耗量最大的部件。因此選擇具有優(yōu)良綜合性能的受電弓碳滑板成為必然，其所需具備的條件為：良好的導(dǎo)電性能；優(yōu)良的抗磨損性和自潤滑性；機(jī)械強(qiáng)度高，能經(jīng)受一定振動(dòng)和沖擊載荷且不損壞；硬度值低于接觸導(dǎo)線的硬度；輕量化。

而目前，國內(nèi)的受電弓碳滑板通常采用石墨、焦碳粉、碳黑、瀝青焦、石油焦等作為主要原料，合適的粘結(jié)劑，通過傳統(tǒng)的糊料熱擠壓、焙燒碳化工藝制造而成。但碳與石墨有著一個(gè)共同的缺點(diǎn)就是電阻較高，該基材在焙燒后電阻一般為40～80mω·m，抗壓強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度均較低，產(chǎn)品內(nèi)部微裂紋較多，且易折斷、電阻率過高且易發(fā)熱從而導(dǎo)致性能下降等問題，致使產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，碳和石墨基材的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了高速動(dòng)車組的運(yùn)行要求，難以實(shí)現(xiàn)批量大規(guī)模生產(chǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明正是為了克服上述不足，所要解決的技術(shù)問題是提供一種電阻率低、機(jī)械強(qiáng)度高、抗磨損性和自潤滑性優(yōu)異的碳纖維增強(qiáng)受電弓碳滑板的制備方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題提出的技術(shù)方案如下：

一種碳纖維增強(qiáng)受電弓碳滑板的制備方法，包括以下步驟：

1)按照中溫瀝青25-45wt％；石墨35-50wt％；碳纖維1-15wt％；硅灰石1-10wt％；銅粉1-15wt％選取上述原料(石墨和中溫瀝青的質(zhì)量比優(yōu)選為1:0.8)；

2)將中溫瀝青和石墨連續(xù)混捏破碎后得到石墨-瀝青混捏物，并高速粉碎；

3)將石墨-瀝青混捏物、碳纖維、硅灰石及銅粉在高速混合機(jī)中混勻后放入模具內(nèi)，然后在平板硫化機(jī)內(nèi)進(jìn)行熱壓，熱壓溫度為200℃～350℃、壓力為15～30mpa、保壓時(shí)間為30～40min，然后脫模；

4)將脫模后的試樣進(jìn)行焙燒；

5)將焙燒后的樣品和浸漬瀝青放置在減壓蒸餾釜中，加熱到140～180℃，預(yù)熱20min后，進(jìn)行抽真空加壓浸漬，真空度為0.1mpa，壓力維持在0.4～1.0mpa，保壓時(shí)間為30min～90min；

6)重復(fù)步驟4)至5)多次，最后按照步驟4)進(jìn)行焙燒，冷卻后進(jìn)行機(jī)械處理即可得所述碳纖維增強(qiáng)受電弓碳滑板。

上述方案中，步驟5)中的浸漬瀝青的軟化點(diǎn)為80-90℃，喹啉不容物含量＜0.3％，甲苯不溶物含量為12％-20％，結(jié)焦值為50％-55％，灰分＜0.2％。

上述方案中，步驟2)中得到石墨-瀝青混捏物的具體步驟為：將石墨和中溫瀝青放入雙螺桿混捏造粒機(jī)，混捏溫度為120℃～170℃、喂料轉(zhuǎn)速為120rpm；然后在室溫下，采用塑料粉碎機(jī)將冷卻的混捏物料粉碎。

上述方案中，步驟4)中焙燒采取三段式程序升溫溫度分別為室溫-200℃，200℃-800℃，800℃-1100℃。

上述方案中，步驟1)中的石墨、碳纖維、硅灰石及銅粉均分別經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑處理。

上述方案中，硅烷偶聯(lián)劑處理的具體步驟如下：

1)將待處理的石墨、碳纖維、硅灰石或銅粉中的任一種物質(zhì)與氨基硅烷偶聯(lián)劑按照質(zhì)量比為100:0.2-1混合，然后加入乙醇混合均勻后；

2)添加醋酸作為水解催化劑，并將ph值調(diào)至3.5～5.5；

3)將反應(yīng)裝置密封，并按2-5℃/min的升溫速率加熱至90-100℃，在此溫度下機(jī)械攪拌4-6小時(shí)后自然降溫至室溫；

4)將化合物置入離心機(jī)中，離心后進(jìn)行抽濾，將抽濾后的物料經(jīng)行真空干燥，保溫溫度在100-120℃，保溫時(shí)間8-10小時(shí)，制得無機(jī)物偶聯(lián)物。

上述方案中，所述步驟1)中的石墨為粉末狀，其平均粒度為80-100目，電阻率為80～130μω·m；所述步驟1)中的銅粉的電阻率為1～3×10^-2μω·m。

上述方案中，所述步驟1)中的中溫瀝青的水分≦0.3％，灰份≦1％，軟化點(diǎn)為85-100℃。

上述方案中，所述步驟1)中的碳纖維為短碳纖維，長度為1-10mm；所述步驟1)中的銅粉的電阻率為1～3×10^-2μω·m。

上述方案中，所述步驟1)中的硅灰石的組成為：粒度為1200目占70-80wt％；粒度為1000目占20-30wt％。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：在碳滑板中添加硅灰石，由于硅灰石的熱膨脹系數(shù)低，因此可以有效地減少受電弓碳滑板材料坯體收縮率，含硅灰石的坯體還具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較低的介電損失。添加少量分散均勻的短碳纖維可使純碳整體受電弓滑板材料的抗折強(qiáng)度提高至20mpa以上，通過添加短碳纖維和硅灰石達(dá)到高速電力機(jī)車用純碳整體受電弓滑板的綜合性能要求。并且采用浸漬工藝來進(jìn)一步提高受電弓碳滑板的整體強(qiáng)度，改善其性能。

本發(fā)明的有益效果如下：(1)本發(fā)明針對(duì)所采用的現(xiàn)有產(chǎn)品存在著導(dǎo)電性差、滑板強(qiáng)度低、價(jià)格昂貴、運(yùn)行壽命短，經(jīng)過配方和工藝的雙重改進(jìn)，提供一種導(dǎo)電性能好，機(jī)械強(qiáng)度高、硬度較大，抗磨損性好的受電弓碳滑板；(2)本發(fā)明采用石墨和瀝青作為基材對(duì)導(dǎo)線的磨損小，自潤滑性能好，同時(shí)自身且耐磨；(3)本發(fā)明所述碳纖維增強(qiáng)受電弓碳滑板強(qiáng)度高，摩擦系數(shù)小，質(zhì)量輕，能夠減少對(duì)接觸網(wǎng)的損害；(4)本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，成本低，有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1的碳纖維增強(qiáng)受電弓碳滑板材料放大500倍的sem圖。

圖2是實(shí)施例1的碳纖維增強(qiáng)受電弓碳滑板材料放大2000倍的sem圖。

圖3是實(shí)施例5的碳纖維增強(qiáng)受電弓碳滑板材料放大500倍的sem圖。

圖4是實(shí)施例5的碳纖維增強(qiáng)受電弓碳滑板材料放大2000倍的sem圖。

具體實(shí)施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。

本發(fā)明采用的石墨為粉末狀，其平均粒度為80-100目，電阻率為80～130μω·m；中溫瀝青的水分≦0.3％，灰份≦1％，軟化點(diǎn)為85-100℃；碳纖維為短碳纖維，長度為1-10mm；所述硅灰石的組成為：粒度為1200目：70-80％、粒度為1000目：20-30％；所述銅粉的電阻率為(1～3)×10^-2μω·m；所選的浸漬瀝青軟化點(diǎn)為80-90℃，喹啉不容物含量(qi)＜0.3％，甲苯不溶物含量(ti)為12％-20％，結(jié)焦值為50％-55％，灰分＜0.2％。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種碳纖維增強(qiáng)受電弓碳滑板的制備方法，包括如下步驟：

1、無機(jī)填料的偶聯(lián)處理

(1)將待處理的石墨與氨基硅烷偶聯(lián)劑按照質(zhì)量比為100:0.2-1混合，然后加入乙醇混合均勻后；

(2)然后向反應(yīng)器中添加醋酸作水解催化劑，并將ph值調(diào)至5；

(3)將反應(yīng)器密封，并按5℃/min的升溫速率加熱至90℃，在此溫度下機(jī)械攪拌5小時(shí)后自然降溫至室溫；

(4)將化合物置入離心機(jī)中，離心后進(jìn)行抽濾，將抽濾后的物料經(jīng)行真空干燥，保溫溫度在100℃，保溫時(shí)間8小時(shí)，制得無機(jī)物偶聯(lián)物。

同時(shí)，針對(duì)碳纖維、硅灰石及銅粉采取同樣的步驟進(jìn)行偶聯(lián)處理。

2、制備石墨-瀝青混捏物

(1)按照中溫瀝青35.6wt％；石墨44.4wt％；碳纖維8.27wt％；硅灰石4.13wt％；銅粉7.6wt％選取上述原料；

(2)將中溫瀝青和石墨放入雙螺桿混捏造粒機(jī)，混捏溫度為150℃、料壓為20mpa、喂料轉(zhuǎn)速：120rpm；

(3)待溫度冷卻為室溫時(shí)，采用塑料粉碎機(jī)將物料粉碎，重復(fù)混捏和粉碎操作4次；再使用高速攪拌機(jī)(轉(zhuǎn)速為28000r/min)將石墨-瀝青混捏物粉碎至50-100目，制得步驟2)所述石墨-瀝青混捏物。

3、制造碳纖維增強(qiáng)受電弓碳滑板

(1)將石墨-瀝青混捏物、碳纖維、硅灰石及銅粉放入高速攪拌器內(nèi)，進(jìn)行高速攪拌10分鐘，使混合料充分混勻；

(2)稱取計(jì)算量混勻的物料放入模具內(nèi)，然后在平板硫化機(jī)內(nèi)進(jìn)行熱壓，熱壓溫度為200℃，壓力為20mpa，在以上條件下保壓30min，再將模具和樣品一同放入冷卻水中，冷卻脫模；

(3)將脫模后的試樣埋入裝滿石英砂的坩堝中，隔絕空氣，然后放置在在馬弗爐內(nèi)燒固，分為三段采取程序升溫：室溫-200℃(1h完成升溫過程)，200℃-800℃(6h完成升溫過程)，800℃-1100℃(1h完成升溫過程)。待冷卻后，取出樣品；

(4)將浸漬瀝青和焙燒后的樣品放置在減壓蒸餾釜中，一起加熱到160℃，進(jìn)行預(yù)熱20min后，進(jìn)行抽真空加壓浸漬，真空度為0.1mpa，壓力維持在0.7mpa，保壓時(shí)間為60min；

(5)再將浸漬后的樣品進(jìn)行二次焙燒，焙燒要求與步驟(4)相同，冷卻后再進(jìn)行機(jī)械處理即可得成品。

實(shí)施例2

本實(shí)施例與實(shí)施例1大致相同，不同的是制備石墨-瀝青混捏物步驟中的石墨與中溫瀝青的配比為1：1。

實(shí)施例3

本實(shí)施例與實(shí)施例1大致相同，不同的是制備石墨-瀝青混捏物步驟中的石墨與中溫瀝青的配比為1：0.6。

實(shí)施例4

本實(shí)施例與實(shí)施例1大致相同，不同的是29.1wt％瀝青，36.4wt％石墨，碳纖維13.13wt％，硅灰石6.57wt％，銅粉14.8wt％。

實(shí)施例5

本實(shí)施例與實(shí)施例1大致相同，不同的是在3、制造碳纖維增強(qiáng)受電弓碳滑板的過程中，步驟(3)的焙燒進(jìn)行4次，步驟(5)的浸漬進(jìn)行3次。

實(shí)施例6

本實(shí)施例與實(shí)施例1大致相同，不同的是壓力維持在1.0mpa，保壓時(shí)間為90min。

將實(shí)施例1-6制造的碳纖維增強(qiáng)受電弓碳滑板進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果如下表所示：

從圖1至圖4可以看出經(jīng)過浸漬的碳纖維增強(qiáng)受電弓滑板材料的組織更加致密。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明所作的實(shí)例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限制。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而因此所引申的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之內(nèi)。