CN102311273B - 一种炭纤维增强受电弓碳滑板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种炭纤维增强受电弓碳滑板及其制造方法，其包含插层石墨，该炭纤维增强受电弓碳滑板的材料组成按重量百分比计为：插层石墨30～60%；石油焦8～32份%；炭纤维2～16%；中温沥青15～35%。本发明的炭纤维增强受电弓碳滑板与现有技术相比具有电阻率低、机械强度高等优点，且其导电性、抗磨损性和自润滑性等综合性能优异，经测试达到国外先进技术水平；本发明的制造方法简单，产品性能稳定，可以实现大规模生产。
Description
技术领域
本发明属电力机车技术领域，尤其涉及一种炭纤维增强受电弓碳滑板及其制造方法。
背景技术
电力牵引的高速列车是通过受电弓碳滑板系统不间断地与接触网导线摩擦接触，将电网上的电流引导下来，传输给机车电力系统来维持电力机车正常运行的。受电弓碳滑板是一种集高导电性、抗磨性和减摩性能于一体的电接触材料，既要有良好的导电性和集电能力，又要与弓网耦合系统相匹配，因此由该材料制作成的电弓滑板与接触网导线的关系构成一对机械与电气耦合的特殊摩擦副。
由于受电弓碳滑板长期暴露在自然环境中，常在干燥、潮湿甚至沙尘和雨雪等恶劣天气下工作，而且，在高速运行过程中，滑板与接触网导线不断产生电冲击与机械冲击磨耗，因而成为电力机车中更换最频繁，消耗量最大的部件。因此选择具有优良综合性能的受电弓碳滑板成为必然，其所需具备的条件为：良好的导电性能；优良的抗磨损性和自润滑性；机械强度高，能经受一定振动和冲击载荷且不损坏；硬度值低于接触导线的硬度；轻量化。
而目前，国内的受电弓碳滑板通常采用石油焦和石墨为主要原料，沥青作粘结剂，通过传统的糊料热挤压、整形和焙烧炭化工艺制造而成。由于石墨与沥青炭界面粘结强度低，造成产品内部微裂纹较多，抗折强度和抗冲击强度偏低且易折断、电阻率过高且易发热从而导致性能下降等问题，致使产品性能不稳定，次品率高，难以实现批量大规模生产。
发明内容
本发明正是为了克服上述不足，所要解决的技术问题是提供一种电阻率低、机械强度高、抗磨损性和自润滑性优异的炭纤维增强受电弓碳滑板。
本发明还要解决的技术问题是提供上述炭纤维增强受电弓碳滑板的制造方法。
一种炭纤维增强受电弓碳滑板，其包含插层石墨。
作为优选配比，该炭纤维增强受电弓碳滑板的材料组成按重量百分比计为：插层石墨30～60％；石油焦8～32％；炭纤维2～10％；中温沥青15～35％。
本发明的技术构思是这样的：在碳滑板中添加插层石墨，由于在石墨层间中加入了金属，因此可使受电弓碳滑板材料的电阻率降低20％以上，添加少量分散均匀的短切炭纤维可使纯炭整体受电弓滑板材料的抗折强度提高至40MPa以上，通过添加短切炭纤维和石墨层间化合物(插层石墨)达到高速电力机车用纯炭整体受电弓滑板的综合性能要求。
其中，优选地，上述插层石墨为金属石墨层间化合物。
其中，进一步优选地，上述金属石墨层间化合物为铜-石墨层间化合物、铁-石墨层间化合物或铜铁-石墨层间化合物中的任意一种。
其中，更进一步优选地，上述金属石墨层间化合物为铜-石墨层间化合物。
作为优选，上述铜-石墨层间化合物的Cu含量为10-20％。
作为进一步优选，上述铜-石墨层间化合物是以鳞片石墨为原料，采用氯化铜作为插层剂、氢气作为还原剂在真空条件下制备而成，其制备方法包括如下步骤：
1、将鳞片石墨与无水氯化铜按摩尔比为1～3∶2～4混合均匀后加入反应釜中。
2、将反应釜密封，并按2～5℃/min的升温速率加热至450～550℃，保温反应68～76小时后自然降温至室温，制得氯化铜～石墨层间化合物。
3、将氯化铜～石墨层间化合物置入氢气还原炉中，抽真空至0.1MPa后，按1～2L/min的流量通入氢气，同时按1～2℃/min的升温速率加热至450～500℃，保温45～52小时。
4、再按1～2℃/min的升温速率加热至850～900℃，保温24小时后自然降至室温，制得铜～石墨层间化合物。
其中，所述插层石墨为粉末状，其平均粒度为300～350目，电阻率为50-60μΩm。
其中，所述石油焦的组成为：粒度为200目：70～80％、粒度为300目：20～30％；所述中温沥青的水分≤0.3％，灰份≤1％。
制造上述炭纤维增强受电弓碳滑板的方法，其包括如下步骤：
1、按配比将插层石墨、石油焦和炭纤维放入混捏锅内，冷混20～40分钟。
2、向经过冷混后的混捏锅内加入溶化后的中温沥青在150～170℃温度条件下混合120±10min。
3、停止加热，自由降温，当温度降至90℃后将料卸出，制得一阶段料粉。
4、用油压机将一阶段料粉压制成料柱，在130～150℃温度条件下放入烘箱内固化10～14小时。
5、将经过固化后的料柱放入挤压机内，挤出所需规格的碳滑板材料。
有益效果：本发明的炭纤维增强受电弓碳滑板与现有技术相比具有电阻率低、机械强度高、硬度低等优点，且其导电性、抗磨损性和自润滑性等综合性能优异，经测试达到国外先进技术水平；本发明的制造方法简单，产品性能稳定，可以实现大规模生产。
具体实施方式
实施例1：
本实例中的炭纤维增强受电弓碳滑板添加的插层石墨为铜-石墨层间化合物。
制备铜-石墨层间化合物，包括如下步骤：
1、将天然鳞片石墨与无水氯化铜按摩尔比为2∶3混合均匀后加入不锈钢压力罐中。
2、将不锈钢压力罐密封后置入井式炉中，并按2℃/min的升温速率加热至450～550℃，保温反应72小时后自然降温至室温，制得氯化铜～石墨层间化合物。
3、将氯化铜～石墨层间化合物平铺在不锈钢托盘中，置入氢气还原炉中，抽真空至0.1MPa后，按1～2L/min的流量通入氢气，同时按1℃/min的升温速率加热至450～500℃，保温50小时。
4、再按1～2℃/min的升温速率加热至850～900℃，保温24小时后自然降至室温，制得铜-石墨层间化合物。
制造炭纤维增强受电弓碳滑板，包括如下步骤：
1、将40％(重量比)插层石墨、24％(重量比)石油焦和8％(重量比)炭纤维放入混捏锅内，冷混20～40分钟。
2、向经过冷混后的混捏锅内加入溶化后的28％(重量比)中温沥青在150～170℃温度条件下混合120±10min。
3、停止加热，自由降温，当温度降至90℃后将料卸出，制得一阶段料粉。
4、用油压机将一阶段料粉压制成料柱，在130～150℃温度条件下放入烘箱内固化10～14小时。
5、将经过固化后的料柱放入挤压机内，挤出所需规格的碳滑板材料。
6、碳滑板材料放入窑炉中焙烧。
实施例2：
其它同实施例1，不同的是插层石墨为30％(重量比)，石油焦为40％(重量比)，炭纤维为5％(重量比)，中温沥青为25％(重量比)。
实施例3：
其它同实施例1，不同的是插层石墨为50％(重量比)，石油焦为20％(重量比)，炭纤维为2％(重量比)，中温沥青为28％(重量比)。
实施例4：
其它同实施例1，不同的是插层石墨为60％(重量比)，石油焦为10％(重量比)，炭纤维为5％(重量比)，中温沥青为25％(重量比)。
实施例5：
本实例中的炭纤维增强受电弓碳滑板添加的插层石墨为铁-石墨层间化合物。
制备铁-石墨层间化合物，包括如下步骤：
1、将天然鳞片石墨与无水氯化铁按摩尔比为3∶4混合均匀后加入不锈钢压力罐中。
2、将不锈钢压力罐密封后置入井式炉中，并按2℃/min的升温速率加热至450～500℃，保温反应24小时后自然降温至室温，制得氯化铁-石墨层间化合物。
3、将氯化铁～石墨层间化合物平铺在不锈钢托盘中，置入氢气还原炉中，抽真空至0.1MPa后，按1～2L/min的流量通入氢气，同时按1℃/min的升温速率加热至300～350℃，保温50小时。
4、再按1～2℃/min的升温速率加热至850～900℃，保温24小时后自然降至室温，制得铁-石墨层间化合物。
制造炭纤维增强受电弓碳滑板的方法同实施例1。
实施例6：
本实例中的炭纤维增强受电弓碳滑板添加的插层石墨为铜铁-石墨层间化合物。
制备铜铁-石墨层间化合物，包括如下步骤：
1、将天然鳞片石墨与无水氯化物按摩尔比为1∶2混合均匀后加入不锈钢压力罐中，其中无水氯化物为摩尔比为2∶1的无水氯化铜和无水氯化铁。
2、将不锈钢压力罐密封后置入井式炉中，并按2℃/min的升温速率加热至400～500℃，保温反应36小时后自然降温至室温，制得氯化铁-氯化铜-石墨层间化合物。
3、将氯化铁-氯化铜-石墨层间化合物平铺在不锈钢托盘中，置入氢气还原炉中，抽真空至0.1MPa后，按1～2L/min的流量通入氢气，同时按1℃/min的升温速率加热至350～400℃，保温48小时。
4、再按1～2℃/min的升温速率加热至850～900℃，保温24小时后自然降至室温，制得铜铁-石墨层间化合物。
制造炭纤维增强受电弓碳滑板的方法同实施例2。
实施例7：
将实施例1-6制造的炭纤维增强受电弓碳滑板与国外(德国PANTRAC公司生产的RH84)及国内受电弓碳滑板进行性能测试，结果如下表所示：
Claims (8)
1.一种炭纤维增强受电弓碳滑板，其特征在于：包含插层石墨，石油焦，炭纤维和中温沥青的材料，这些材料组成按重量百分比计为：插层石墨30～60％；石油焦8～32％；炭纤维2～16％；中温沥青15～35％
其中，所述的插层石墨为金属石墨层间化合物。
2.根据权利要求1所述的一种炭纤维增强受电弓碳滑板，其特征在于：所述的金属石墨层间化合物为铜-石墨层间化合物、铁-石墨层间化合物或铜铁-石墨层间化合物中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种炭纤维增强受电弓碳滑板，其特征在于：所述的金属石墨层间化合物为铜-石墨层间化合物。
4.根据权利要求2或3所述的一种炭纤维增强受电弓碳滑板，其特征在于：所述的铜-石墨层间化合物的Cu含量为10-20％。
5.根据权利要求2或3所述的一种炭纤维增强受电弓碳滑板，其特征在于：所述的铜-石墨层间化合物的制备方法包括如下步骤：
(1)将鳞片石墨与无水氯化铜按摩尔比为1～3∶2～4混合均匀后加入反应釜中；
(2)将反应釜密封，并按2～5℃/min的升温速率加热至450～550℃，保温反应68～76小时后自然降温至室温，制得氯化铜～石墨层间化合物；
(3)将氯化铜～石墨层间化合物置入氢气还原炉中，抽真空至0.1MPa后，按1～2L/min的流量通入氢气，同时按1～2℃/min的升温速率加热至450～500℃，保温45～52小时；
(4)再按1～2℃/min的升温速率加热至850～900℃，保温24小时后自然降至室温，制得铜～石墨层间化合物。
6.根据权利要求1所述的一种炭纤维增强受电弓碳滑板，其特征在于：所述插层石墨为粉末状，其平均粒度为300～350目，电阻率为50-60μΩm。
7.根据权利要求1所述的一种炭纤维增强受电弓碳滑板，其特征在于：所述石油焦的组成为：粒度为200目：70～80％、粒度为300目：20～30％；所述中温沥青的水分≤0.3％，灰份≤1％。
8.制造权利要求1所述的炭纤维增强受电弓碳滑板的方法，其特征在于它包括如下步骤：
(1)、按配比将插层石墨、石油焦和炭纤维放入混捏锅内，冷混20～40分钟；
(2)、向经过冷混后的混捏锅内加入溶化后的中温沥青在150～170℃温度条件下混合120±10min；
(3)、停止加热，自由降温，当温度降至90℃后将料卸出，制得一阶段料粉；
(4)、用油压机将一阶段料粉压制成料柱，在130～150℃温度条件下放入烘箱内固化10～14小时；
(5)、将经过固化后的料柱放入挤压机内，挤出所需规格的碳滑板材料；
(6)、碳滑板材料放入窑炉中焙烧。
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