CN102952963A - 一种碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法，其特征在于，包括：以铜、铝为基体材料，以碳纳米管为增强材料，以碳为自润滑耐磨材料，其中铜含量为50wt％～66wt％，铝含量为5wt％～13wt％，碳纳米管含量为2.02wt％～6wt％，碳含量为13wt％～25wt％，硫酸钡含量为3wt％～5wt％，二氧化硅含量为4wt％～7wt％，镍含量为1.26wt％～4.37wt％，锡含量为1.83wt％～5.07wt％，铌含量为0.21wt％～0.73wt％，各组分含量均为重量百分比。本发明所述的方法降低了所述滑板的电阻率，提高了抗压强度，延长了使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及新材料领域，尤其涉及一种碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法。
背景技术
目前的电力机车受电弓滑板主要有普通碳滑板、粉末冶金滑板和浸渍金属碳滑板。普通碳滑板的润滑性能、减磨性能以及耐电弧性能都比较好，重量轻、噪音小，在使用过程中，会在接触网导线上形成一层薄膜，大大改善了对接触网导线的磨损，同时，它还具有良好的接触稳定性，对无线电信号干扰小，但是，碳滑板机械强度低、脆性大，易掉块和断裂，不仅使用寿命低，而且容易引发弓网事故。粉末冶金滑板主要以铜粉或铁粉为基体原料，并加其他金属粉末和非金属粉末压制烧结而成，它具有机械强度高、抗冲击等优点，但是它对铜接触网导线的磨损非常严重，而且在使用中易发生电弧，不但增大了机械磨损和电弧磨损，还干扰了无线电信号。浸渍金属碳滑板是在高温高压下将普通碳滑板浸渍液体金属，使碳基体中形成细密的金属网，从而保证该材料具有比普通碳滑板高的强度和良好的导电性，但该滑板制备工艺复杂，成本高，性能稳定性较差，而且对铜接触导线的磨损较严重。
随着列车的不断提速，上述滑板越来越不能满足高速电气列车对滑板的要求，因而迫切需要一种具有良好的导电性、耐磨性和抗冲击韧性等性能，同时对接触网线导线磨耗小和无线电信号干扰小的新型滑板。为了解决上述受电弓滑板的不足，相继研制开发了各种改进型的受电弓滑板，如铜基粉末冶金滑板加固体润滑条组成的机械复合式铜基粉末冶金滑板，增加碳条强度的铝包碳滑板，碳纤维增强碳滑板，碳纤维增强金属基滑板，金属/碳复合滑板等。这些滑板虽然对接触网导线磨耗较小，但是电阻率大，抗压强度低。
发明内容
针对上述技术问题，本发明设计开发了一种碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法，目的在于降低滑板的电阻率，提高抗压强度，同时减小滑板本身的摩擦系数，延长使用寿命。
本发明提供的技术方案为：
一种碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法，包括：
以铜、铝为基体材料，以碳纳米管为增强材料，以碳为自润滑耐磨材料，其中铜含量为50wt％～66wt％，铝含量为5wt％～13wt％，碳纳米管含量为2.02wt％～6wt％，碳含量为13wt％～25wt％，硫酸钡含量为3wt％～5wt％，二氧化硅含量为4wt％～7wt％，镍含量为1.26wt％～4.37wt％，锡含量为1.83wt％～5.07wt％，铌含量为0.21wt％～0.73wt％，各组分含量均为重量百分比。
优选的是，所述的碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法中，所述碳纳米管和碳在冷压前需要进行镀铜预处理，碳纳米管铜镀层的厚度为80～120nm，碳铜镀层的厚度为1.5～6μm。
优选的是，所述的碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法中，所述碳纳米管的直径为10～40nm，碳纳米管的长度为20～200μm。
优选的是，所述的碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法中，所述的碳包括石墨、焦炭和炭黑，其中石墨含量为10～21％，焦炭含量为3～8％，炭黑含量为0～5％。
优选的是，所述的碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法中，包括：
步骤一、对碳纳米管和碳进行表面化学镀铜处理，将碳纳米管和碳放入浓硝酸和浓硫酸浓度比为1.5的混合液中在100℃下煮沸氧化处理40分钟；接着将其取出并清洗干净，放在重量百分含量为4wt％氯化亚锡溶液中进行敏化处理；然后将敏化后的碳纳米管和碳放在0.01wt％氯化钯溶液中进行活化处理；最后将碳纳米管取出清洗至pH为7，放在4wt％氯化铜溶液中，加入还原剂甲醛进行镀铜反应6分钟，取出烘干即可得到镀铜的碳纳米管材料；将碳取出清洗后，放在4wt％氯化铜溶液中，以烷基磺酸钠为添加剂，搅拌3分钟后取出烘干，即可得到镀铜的碳材料。
步骤二、称量所需的铜、铝、镀铜的碳、添加剂，放到球磨罐中充分混合2～4小时。
步骤三、原料混合均匀后取出，放到冷压机的样品槽中冷压，同时加入镀铜的碳纳米管，冷压压力不低于40MPa，保压时间不低于8秒，冷压后再进行热压，热压压力为30～180MPa，热压温度为600～1000℃，保温时间为7～25分钟。
优选的是，所述的碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法中，所述碳纳米管在进行镀铜预处理时，在浓硝酸和浓硫酸浓度比为1.5的混合液中在100℃下煮沸40分钟。
本发明所述的碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法中，碳纳米管在浓硝酸和浓硫酸浓度比为1.5的混合液中氧化，改善了碳纳米管的分散性和表面状况，提高了碳纳米管和金属铜的润湿性。由于碳纳米管特殊的结构特征，使其本身具有较高的模量和强度，因此加入碳纳米管的碳铝铜复合材料制成的滑板抗压强度明显提高。碳纳米管的长度一般为微米级，而直径则为纳米级，因此具有较大的长径比，这使得以碳纳米管作为增强剂的滑板具有良好的柔韧性，不易断裂。碳纳米管的结构和石墨的片层结构相同，且电学性能优于石墨，从而导致碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的电阻率显著下降。摩擦性能调节剂硫酸钡和二氧化硅不同比例的配合使用，有助于所述滑板摩擦系数的减小，延长滑板的使用寿命。
附图说明
图1是本发明所述的碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明提供一种碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法，包括：
以铜、铝为基体材料，以碳纳米管为增强材料，以碳为自润滑耐磨材料，其中铜含量为50wt％～66wt％，铝含量为5wt％～13wt％，碳纳米管含量为2.02wt％～6wt％，碳含量为13wt％～25wt％，硫酸钡含量为3wt％～5wt％，二氧化硅含量为4wt％～7wt％，镍含量为1.26wt％～4.37wt％，锡含量为1.83wt％～5.07wt％，铌含量为0.21wt％～0.73wt％，各组分含量均为重量百分比。
所述的碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法中，所述碳纳米管和碳在冷压前需要进行镀铜预处理，碳纳米管铜镀层的厚度为80～120nm，碳铜镀层的厚度为1.5～6μm。
所述的碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法中，所述碳纳米管的直径为10～40nm，碳纳米管的长度为20～200μm。
所述的碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法中，所述的碳包括石墨、焦炭和炭黑，其中石墨含量为10～21％，焦炭含量为3～15％，炭黑含量为0～5％。
所述的碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法中，包括：
步骤一、对碳纳米管和碳进行表面化学镀铜处理，将碳纳米管和碳放入浓硝酸和浓硫酸浓度比为1.5的混合液中在100℃下煮沸氧化处理40分钟；接着将其取出并清洗干净，放在重量百分含量为4wt％氯化亚锡溶液中进行敏化处理；然后将敏化后的碳纳米管和碳放在0.01wt％氯化钯溶液中进行活化处理；最后将碳纳米管取出清洗至pH为7，放在4wt％氯化铜溶液中，加入还原剂甲醛进行镀铜反应6分钟，取出烘干即可得到镀铜的碳纳米管材料；将碳取出清洗后，放在4wt％氯化铜溶液中，以烷基磺酸钠为添加剂，搅拌3分钟后取出烘干，即可得到镀铜的碳材料。
步骤二、称量所需的铜、铝、镀铜的碳、添加剂，放到球磨罐中充分混合2～4小时。
步骤三、原料混合均匀后取出，放到冷压机的样品槽中冷压，同时加入镀铜的碳纳米管，冷压压力不低于40MPa，保压时间不低于8秒，冷压后再进行热压，热压压力为30～180MPa，热压温度为600～1000℃，保温时间为7～25分钟。
所述的碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法中，所述碳纳米管在进行镀铜预处理时，在浓硝酸和浓硫酸浓度比为1.5的混合液中在100℃下煮沸40分钟。
下面结合几个具体的实施例来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1：铜含量57wt％，铝含量8wt％，石墨含量16wt％，焦炭含量4wt％，硫酸钡含量为3.3wt％，二氧化硅含量为4.8wt％，镍含量为2.36wt％，锡含量为1.87wt％，铌含量为0.37wt％，在球磨罐中充分混合3小时，在80MPa压力下冷压30秒，在冷压装料的同时按要求加入2.3wt％预处理过的镀铜碳纳米管，成型后在压力为120MPa，温度为760℃下热压16分钟，制成的滑板密度为2.41g/cm3，电阻率为0.07μΩ·m，冲击韧性4.9J/cm2，摩擦系数0.043，抗压强度340MPa。
实施例2：铜含量60.9wt％，铝含量5wt％，石墨含量10.5wt％，焦炭含量3wt％，炭黑含量2wt％，硫酸钡含量为3.7wt％，二氧化硅含量为5.1％，镍含量为3.16wt％，锡含量为2.3wt％，铌含量为0.24％，在球磨罐中充分混合2.5小时，在110MPa压力下冷压45秒，在冷压装料的同时按要求加入4.1wt％预处理过的镀铜碳纳米管，成型后在压力为160MPa，温度为820℃下热压10分钟，制成的滑板密度为2.89g/cm3，电阻率为0.12μΩ·m，冲击韧性6.5J/cm2，摩擦系数0.027，抗压强度424MPa。
实施例3：铜含量51wt％，铝含量9wt％，石墨含量14wt％，焦炭含量5wt％，炭黑含量为1wt％，硫酸钡含量为3.4wt％，二氧化硅含量为4.3wt％，镍含量为4.03wt％，锡含量为3.4wt％，铌含量为0.27wt％，在球磨罐中充分混合3.5小时，在60MPa压力下冷压60秒，在冷压装料的同时按要求加入4.6wt％预处理过的镀铜碳纳米管，成型后在压力为100MPa，温度为950℃下热压20分钟，制成的滑板密度为1.94g/cm3，电阻率为0.14μΩ·m，冲击韧性8.3J/cm2，摩擦系数0.018，抗压强度473MPa。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (6)
1.一种碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法，其特征在于，包括：
以铜、铝为基体材料，以碳纳米管为增强材料，以碳为自润滑耐磨材料，其中铜含量为50wt％～66wt％，铝含量为5wt％～13wt％，碳纳米管含量为2.02wt％～6wt％，碳含量为13wt％～25wt％，硫酸钡含量为3wt％～5wt％，二氧化硅含量为4wt％～7wt％，镍含量为1.26wt％～4.37wt％，锡含量为1.83wt％～5.07wt％，铌含量为0.21wt％～0.73wt％，各组分含量均为重量百分比。
2.如权利要求1所述的碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管和碳在冷压前需要进行镀铜预处理，碳纳米管铜镀层的厚度为80～120nm，碳铜镀层的厚度为1.5～6μm。
3.如权利要求1所述的碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管的直径为10～40nm，碳纳米管的长度为20～200μm。
4.如权利要求1所述的碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法，其特征在于，所述的碳包括石墨、焦炭和炭黑，其中石墨含量为10～21％，焦炭含量为3～8％，炭黑含量为0～5％。
5.如权利要求1所述的碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法，其特征在于，包括：
步骤一、对碳纳米管和碳进行表面化学镀铜处理，将碳纳米管和碳放入浓硝酸和浓硫酸浓度比为1.5的混合液中在100℃下煮沸氧化处理40分钟；接着将其取出并清洗干净，放在重量百分含量为4wt％氯化亚锡溶液中进行敏化处理；然后将敏化后的碳纳米管和碳放在0.01wt％氯化钯溶液中进行活化处理；最后将碳纳米管取出清洗至pH为7，放在4wt％氯化铜溶液中，加入还原剂甲醛进行镀铜反应6分钟，取出烘干即可得到镀铜的碳纳米管材料；将碳取出清洗后，放在4wt％氯化铜溶液中，以烷基磺酸钠为添加剂，搅拌3分钟后取出烘干，即可得到镀铜的碳材料。
步骤二、称量所需的铜、铝、镀铜的碳、添加剂，放到球磨罐中充分混合2～4小时。
步骤三、原料混合均匀后取出，放到冷压机的样品槽中冷压，同时加入镀铜的碳纳米管，冷压压力不低于40MPa，保压时间不低于8秒，冷压后再进行热压，热压压力为30～180MPa，热压温度为600～1000℃，保温时间为7～25分钟。
6.如权利要求2所述的碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管在进行镀铜预处理时，在浓硝酸和浓硫酸浓度比为1.5的混合液中在100℃下煮沸40分钟。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
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