石墨烯改性炭/炭復(fù)合材料受電弓滑板的制備方法
【專利說明】
[0001]技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種炭/炭復(fù)合材料的制備方法，特別是涉及一種石墨稀改性炭/炭復(fù)合材料受電弓滑板的制備方法。
[0002]【背景技術(shù)】:
鐵路的電氣化和高速化是目前世界鐵路發(fā)展的趨勢。接觸網(wǎng)系統(tǒng)是鐵路系統(tǒng)的重要組成部分，良好的載流性能是提高列車運(yùn)行速度的關(guān)鍵因素。受電弓滑板是接觸網(wǎng)系統(tǒng)的重要部件，其質(zhì)量對機(jī)車的取流狀況有重要影響。我國目前使用的受電弓滑板有三大類:純碳滑板、粉末冶金滑板和浸漬金屬碳滑板。純碳滑板的自潤滑性和減磨性能較好，但是碳滑板的力學(xué)強(qiáng)度低、耐沖擊性差，遇導(dǎo)線硬點(diǎn)容易造成滑板斷裂或者掉塊。粉末冶金滑板的力學(xué)強(qiáng)度較高、導(dǎo)電性能較好，但其對接觸網(wǎng)導(dǎo)線的磨損嚴(yán)重、抗電弧能力弱。浸金屬碳滑板結(jié)合了粉末冶金滑板和碳滑板的優(yōu)點(diǎn)，具有粉末冶金滑板力學(xué)強(qiáng)度高、電阻率小的特點(diǎn)，同時(shí)具有碳滑板對導(dǎo)線磨耗小、抗電弧能力強(qiáng)的特點(diǎn)。但是浸金屬碳滑板卻保留了粉末冶金滑板和碳滑板的缺點(diǎn):例如碳滑板的抗沖擊能力低、力學(xué)強(qiáng)度相對較低，運(yùn)行中容易出現(xiàn)斷裂和掉塊；粉末冶金滑板對導(dǎo)線的磨耗大、運(yùn)行中易與導(dǎo)線發(fā)生粘連。
[0003]炭/炭復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)炭基體的復(fù)合材料，具有高強(qiáng)高模、密度小、熱膨脹系數(shù)小、抗腐蝕、抗熱沖擊、化學(xué)穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)性能可設(shè)計(jì)性等一系列良好性能，是一種優(yōu)異的熱結(jié)構(gòu)-功能一體化的工程材料。隨著炭/炭復(fù)合材料性能的不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。由于炭/炭復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐摩擦磨損性能、力學(xué)性能和導(dǎo)電性能，已成為一種優(yōu)異的新型摩擦集電材料。
[0004]中國專利“CN101049803B，電力機(jī)車用炭/炭受電弓滑板的制備方法”采用針刺無瑋碳布準(zhǔn)三向結(jié)構(gòu)預(yù)制體，采用化學(xué)氣相沉積在預(yù)制體表面制備熱解炭基體，隨后進(jìn)行樹脂循環(huán)浸漬-炭化工藝對預(yù)制體進(jìn)行致密化，最終得到密度大于1.70g/cm3的炭/炭復(fù)合材料。按圖樣加工制得了電力機(jī)車用炭/炭復(fù)合材料受電弓滑板。中國專利“CN101830723B，一種受電弓滑板炭/炭復(fù)合材料的制備方法”通過向碳纖維預(yù)制體中浸漬添加硼類催化劑的高殘?zhí)柯实臒峁绦詷渲?，?jīng)循環(huán)浸漬-加壓固化-炭化，并經(jīng)石墨化處理制得受電弓滑板炭/炭復(fù)合材料。制得的炭/炭復(fù)合材料的電阻率為15.3-16.8mWXm，磨損量為2.0-2.3mm/萬km。上述方法中均采用碳纖維整體氈或針刺氈作為炭/炭復(fù)合材料的增強(qiáng)體，制得的炭/炭復(fù)合材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能較好，但是預(yù)制體的成本較高。另外，材料成型過程中需要循環(huán)多次進(jìn)行浸漬-炭化致密化工藝，生產(chǎn)周期較長，進(jìn)一步增加了材料成本。目前炭/炭復(fù)合材料的高成本是限制其在電力機(jī)車受電弓滑板上應(yīng)用的關(guān)鍵所在。
[0005]中國專利“CN1178745A,電力機(jī)車用碳-碳復(fù)合材料受電弓滑板”公開了一種用碳纖維增強(qiáng)碳基體復(fù)合材料制成的受電弓滑板:以鍍銅碳粉末為基體材料，以短碳纖維作為增強(qiáng)體，以熱固性樹脂作為粘接劑，采用濕態(tài)或干態(tài)混合，利用冷壓或熱壓成型。制得的碳-碳復(fù)合材料的密度為2.30-2.73g/cm3,電阻率為6.l_50mWXm，夏比沖擊韌性為
0.35-0.80J/cm2。中國專利“ZL9706647.7，集電用碳纖維增強(qiáng)碳復(fù)合材料及其制備方法”以鍍銅石墨粉和鍍銅焦炭粉為基體，以短切碳纖維為增強(qiáng)體，以熱固性樹脂作為粘接劑，采用濕態(tài)或干態(tài)的方式進(jìn)行充分混合，利用冷壓或熱壓成型，得到所需的復(fù)合材料。制得的復(fù)合材料的電阻率為5.7-15mffXm,肖氏硬度為48-107HS，抗壓強(qiáng)度為70_123MPa。上述方法成型工藝簡單，制得的復(fù)合材料的電阻率低，抗壓強(qiáng)度高。但是原料中需對石墨粉或焦炭粉鍍銅，增加了原材料的成本。成型工藝采用冷壓或熱壓(< 300°C)，而粘接劑為熱固性樹脂，在最終的復(fù)合材料中熱固性樹脂沒有進(jìn)行炭化處理，作為鍍銅石墨粉、鍍銅焦炭粉和碳纖維之間的電傳導(dǎo)媒介，其傳導(dǎo)能力嚴(yán)重受限。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種以均勻分散的石墨烯作為改性劑、中溫煤瀝青為浸漬劑、短切碳纖維為增強(qiáng)體的石墨烯改性炭/炭復(fù)合材料受電弓滑板的制備方法，該制備方法生產(chǎn)周期短、成本較低，所制備的石墨烯改性炭/炭復(fù)合材料電阻率低、力學(xué)性能較好。
[0007]本發(fā)明為解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:
一種石墨烯改性炭/炭復(fù)合材料受電弓滑板的制備方法，包括以下具體制備步驟:
①配制石墨烯懸浮液:按去離子水和分散劑的質(zhì)量百分比為100:0.5的比例配置溶液，再向溶液中加入占去離子水質(zhì)量0.025?0.lwt%的石墨烯，混合均勻后備用；
②配制短切碳纖維懸浮液:按去離子水和分散劑的質(zhì)量百分比為100:0.5的比例配置溶液，再向溶液中加入占去離子水質(zhì)量40wt%的短切碳纖維，混合均勻后備用；
③將步驟①和②中得到的石墨烯和短切碳纖維的懸浮液分別進(jìn)行超聲震蕩，對其中的短切碳纖維和石墨烯進(jìn)行進(jìn)一步的分散，超聲震蕩分散時(shí)水溫為30±5°C，振蕩分散時(shí)間為30分鐘;
④對步驟③中經(jīng)過超聲震蕩的石墨烯和短切碳纖維懸浮液進(jìn)行球磨混合，制備石墨烯和短切碳纖維均勻分散的混合懸浮液，球磨混合時(shí)球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為300?500轉(zhuǎn)/分鐘；
⑤對步驟④制得的混合懸浮液進(jìn)行預(yù)脫水，隨后注入模具中，置于0°C以下冷凍成固體，然后在冷凍干燥機(jī)上進(jìn)行冷凍干燥、脫模，得到石墨烯-短切碳纖維坯體；對得到的坯體進(jìn)行15MPa的壓力成型，得到石墨烯改性的短切碳纖維增強(qiáng)體；
⑥對步驟⑤中得到的石墨烯改性的短切碳纖維增強(qiáng)體進(jìn)行化學(xué)氣相沉積熱解炭，得到低密度的炭/炭復(fù)合材料，其中:沉積溫度為100tC，沉積壓力為25kPa，沉積時(shí)間為50小時(shí)，碳源氣體為甲烷；
⑦對步驟⑥中得到的低密度的炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行煤瀝青浸漬-炭化處理，浸漬溫度200?260°C，壓力3.0?5.0MPa，浸漬時(shí)間2小時(shí)；炭化溫度1100°C，炭化升溫速率1°C /分鐘，炭化壓力1.0MPa,炭化時(shí)間2小時(shí)；浸漬-炭化過程循環(huán)4?6次后，制得炭/炭復(fù)合材料；
⑧對步驟⑦制得的炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行高溫石墨化處理，石墨化溫度3000°C、并在石墨化溫度下保溫I小時(shí)，得到石墨稀改性炭/炭復(fù)合材料；
⑨將步驟⑧制得的石墨烯改性炭/炭復(fù)合材料按照受電弓滑板的機(jī)械圖樣進(jìn)行加工后，即得到石墨烯改性炭/炭復(fù)合材料受電弓滑板。
[0008]在步驟①和②中，所述分散劑為聚丙烯酸鈉，或?yàn)槭榛撬徕c，或?yàn)槭榛交撬徕c。
[0009]在步驟②中，所述短切碳纖維為中間相瀝青基碳纖維或PAN基碳纖維，纖維長度為I?10mm ο
[0010]在步驟⑦中，所述的煤瀝青為中溫煤瀝青，其軟化點(diǎn)為90?120°C
本發(fā)明選用短切碳纖維作為增強(qiáng)體、中溫煤瀝青作為浸漬劑、石墨烯作為改性劑，經(jīng)模壓成型，采用炭化、致密化、石墨化等常規(guī)工藝，制備出低電阻率的石墨烯改性炭/炭復(fù)合材料受電弓滑板。
[0011]本發(fā)明與【背景技術(shù)】中所述的方法相比有如下優(yōu)點(diǎn):
(I)石墨烯和短切纖維分散更加均勻。
[0012]⑵工藝簡單，生產(chǎn)周期短，可降低生產(chǎn)成本低。
[0013]⑶制備的石墨烯改性炭/炭復(fù)合材料的力學(xué)性能好，電阻率較低。
[0014]【具體實(shí)施方式】:
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述和說明:
實(shí)施例1:
一種石墨烯改性炭/炭復(fù)合材料受電弓滑板的制備方法，包括以下制備步驟:
①配制石墨烯懸浮液:按去離子水和分散劑的質(zhì)量百分比為100:0.5的比例配置溶液，再向溶液中加入占去離子水質(zhì)量0.025wt%的石墨烯，混合均勻后備用；
②配制短切碳纖維懸浮液:按去離子水和分散劑的質(zhì)量百分比為100:0.5的比例配置溶液，再向溶液中加入占去離子水質(zhì)量40wt%的短切碳纖維，混合均勻后備用；
③將步驟①和②中得到的石墨烯和短切碳纖維的懸浮液分別進(jìn)行超聲震蕩，對其中的短切碳纖維和石墨烯進(jìn)行進(jìn)一步的分散，超聲震蕩分散時(shí)水溫為30±5°C，振蕩分散時(shí)間為30分鐘;
④對步驟③中經(jīng)過超聲震蕩的石墨烯和短切碳纖維懸浮液進(jìn)行球磨混合，制備石墨烯和短切碳纖維均勻分散的混合懸浮液，球磨混合時(shí)球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分鐘；
⑤對步驟④制得的混合懸浮液進(jìn)行預(yù)脫水，隨后注入模具中，置于-196°C冷凍成固體，然后在冷凍干燥機(jī)上進(jìn)行冷凍干燥、脫模，得到石墨烯-短切碳纖維坯體；對得到的坯體進(jìn)行15MPa的壓力成型，得到石墨烯改性的短切碳纖維增強(qiáng)體；
⑥對步驟⑤中得到的石墨烯改性的短切碳纖維增強(qiáng)體進(jìn)行化學(xué)氣相沉積熱解炭，得到低密度的炭/炭復(fù)合材料，其中:沉積溫度為100tC，沉積壓力為25kPa，沉積時(shí)間為50小時(shí)，碳源氣體為甲烷；
⑦對步驟⑥中得到的低密度的炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行煤瀝青浸漬-炭化處理，浸漬溫度200°C，壓力3.0MPa，浸漬時(shí)間2小時(shí)；炭化溫度1100°C，炭化升溫速率1°C /分鐘，炭化壓力1.0MPa,炭化時(shí)間2小時(shí)；浸漬-炭化過程循環(huán)5次后，制得炭/炭復(fù)合材料；
⑧對步驟⑦制得的炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行高溫石墨化處理，石墨化溫度3000°C、并在石墨化溫度下保溫I小時(shí)，得到石墨稀改性炭/炭復(fù)合材料；
⑨將步驟⑧制得的石墨烯改性炭/炭復(fù)合材料按照受電弓滑板的機(jī)械圖樣進(jìn)行加工后，即得到石墨烯改性炭/炭復(fù)合材料受電弓滑板。
[0015]制得的石墨稀改性炭/炭復(fù)合材料的密度為1.72g/cm3，抗壓強(qiáng)度91.2MPa，抗折強(qiáng)度62.5MPa，沖擊韌性0.37J/cm2,電阻率8.9mffXm,肖氏硬度64HS。各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到電力機(jī)車用滑板材料的要求。
[0016]實(shí)施例2:
一種石墨烯改性炭/炭復(fù)合材料受電弓滑板的制備方法，包括以下制備步驟:
①配制石墨烯懸浮液:按去離子水和分散劑的質(zhì)量百分比為100:0.5的比例配置溶液，再向溶液中加入占去離子水質(zhì)量0.05wt%的石墨烯，混合均勻后備用；
②配制短切碳纖維懸浮液:按去離子水和分散劑的質(zhì)量百分比為100:0.5的比例配置溶液，再向溶液中加入占去離子水質(zhì)量40wt%的短切碳纖維，混合均勻后備用；
③將步驟①和②中得到的石墨烯和短切碳纖維的懸浮液分別進(jìn)行超聲震蕩，對其中的短切碳纖維和石墨烯進(jìn)行進(jìn)一步的分散，超聲震蕩分散