CN103159495A - 一种碳纤维增强受电弓碳滑板材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维增强受电弓碳滑板材料及其制造方法，包括石墨层间化合物，石油焦，碳纤维和中温沥青，其中石墨层间化合物的质量百分含量为30～60％，石油焦的质量百分含量为8～32％，碳纤维的质量百分含量为2～16％，中温沥青的质量百分含量为15～35％。本发明的碳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

一种碳纤维增强受电弓碳滑板材料及其制造方法

技术领域

本发明属电力机车技术领域，尤其涉及一种碳纤维增强受电弓碳滑板材料及其制造方法。

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

本发明的首要目的是针对上述现有技术存在的问题提供一种电阻率低、机械强度高、抗磨损性和自润滑性优异的碳纤维增强受电弓碳滑板材料及其制造方法。

为了达到上述目的，本发明一方面提供一种碳纤维增强受电弓碳滑板材料，其特征在于，包括石墨层间化合物，石油焦，碳纤维和中温沥青。

其中，所述石墨层间化合物的质量百分含量为30～60％，优选为40-50％；石油焦的质量百分含量为8～32％；碳纤维的质量百分含量为2～16％，优选为3-5％；中温沥青的质量百分含量为15～35％。

特别是，所述石墨层间化合物为金属～石墨层间化合物，金属～石墨层间化合物中金属的质量百分含量为10-20％。

其中，所述石墨层间化合物选自铜～石墨层间化合物、铁～石墨层间化合物、铜铁～石墨层间化合物中的一种。

特别是，所述金属～石墨层间化合物的制备方法包括如下步骤：

1)将鳞片石墨与金属氯化物混合均匀，制得混合物；

2)将混合物进行加热处理，制得金属氯化物～石墨层间化合物；

3)将金属氯化物～石墨层间化合物进行还原处理，制得金属～石墨层间化合物。

其中，步骤1)中所述鳞片石墨与金属氯化物的摩尔比为(1～3)∶(2～4)；步骤2)中所述加热处理包括：以2～5℃/min的升温速率将混合物加热至400～550℃，保温24～76小时后降温至室温，制得金属氯化物～石墨层间化合物；步骤3)中所述还原处理包括：将金属氯化物～石墨层间化合物置入氢气还原炉后进行抽真空处理；然后以1～2L/min的流量通入氢气，同时以1～2℃/min的升温速率将金属氯化物～石墨层间化合物加热至300～550℃，保温45～52小时；再以1～2℃/min的升温速率继续将金属氯化物～石墨层间化合物加热至850～900℃，保温24小时后降温至室温，制得金属～石墨层间化合物。

特别是，所述石墨层间化合物的平均粒度为300～350目，电阻率为50-60μΩ·m；所述石油焦中200目粒度的质量百分含量为70～80％，300目粒度的质量百分含量为20～30％；所述碳纤维为短切碳纤维，长度为1-5mm，优选为2-3mm；所述中温沥青的水分≤0.3％，灰份≤1％，软化点为65-90℃；

本发明另一方面提供一种碳纤维增强受电弓碳滑板材料的制造方法，包括如下步骤：

A)将石墨层间化合物、石油焦和碳纤维混合均匀，然后加入溶化后的中温沥青，再于150～170℃下进行混合处理，制得混合料；

B)将混合料降温至90℃后压制成料柱，再将料柱于130～150℃进行固化处理10～14小时；

C)将固化处理后的料柱粉碎成碎料，再于200～230℃下进行挤压处理，制得半成品；

D)将半成品进行焙烧处理，制得碳纤维增强受电弓碳滑板材料。

相对于现有技术，本发明具有以下技术效果：

本发明的碳纤维增强受电弓碳滑板材料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

本发明采用的石墨为鳞片石墨；石油焦中200目粒度的质量百分含量为70～80％，300目粒度的质量百分含量为20～30％；碳纤维采用短切碳纤维，长度为1-5mm；中温沥青的水分≤0.3％，灰份≤1％，软化点为65-90℃。

实施例1

1、制备铜～石墨层间化合物

1)将天然鳞片石墨与无水氯化铜混合均匀后加入到不锈钢压力罐中，其中鳞片石墨与无水氯化铜的摩尔比为2∶3；

2)将不锈钢压力罐密封后置入井式炉中，以2℃/min的升温速率将井式炉加热至450℃，保温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于不锈钢托盘后置入氢气还原炉，将还原炉抽真空至0.01MPa，然后以1L/min的流量通入氢气，同时以1℃/min的升温速率将还原炉加热至480℃，保温50小时；再以1℃/min的升温速率继续将还原炉加热至850℃，保温24小时后自然降温至室温，粉碎至300-350目，制得铜-石墨层间化合物，铜-石墨层间化合物的电阻率为50-60μΩ·m，铜-石墨层间化合物中铜的质量百分含量为10-20％。

2、制备碳纤维增强受电弓碳滑板材料

A)将质量百分含量为40％的上述制备的铜～石墨层间化合物、质量百分含量为24％的石油焦和质量百分含量为8％的短切碳纤维放入混捏锅内，于室温下混合20分钟，然后加入溶化后的质量百分含量为28％的中温沥青，再于160℃下混合120min，制得混合料；

B)停止加热，将混合料自由降温至90℃后，将混合料卸出，然后用油压机压制成料柱；再将料柱于放入烘箱内，于140℃下固化处理10小时；

C)将固化处理后的料柱粉碎成碎料，然后放入挤压机内，于200℃下进行挤压处理，制得半成品；

D)将半成品于1300℃下进行焙烧处理，即制得碳纤维增强受电弓碳滑板材料。

实施例2

1、制备铜～石墨层间化合物

1)将天然鳞片石墨与无水氯化铜混合均匀后加入到不锈钢压力罐中，其中鳞片石墨与无水氯化铜的摩尔比为1∶2；

2)将不锈钢压力罐密封后置入井式炉中，以5℃/min的升温速率将井式炉加热至500℃，保温68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于不锈钢托盘后置入氢气还原炉，将还原炉抽真空至0.01MPa，然后以2L/min的流量通入氢气，同时以2℃/min的升温速率将还原炉加热至450℃，保温45小时；再以2℃/min的升温速率继续将还原炉加热至900℃，保温24小时后自然降温至室温，粉碎至300-350目，制得铜-石墨层间化合物，铜-石墨层间化合物的电阻率为50-60μΩ·m，铜-石墨层间化合物中铜的质量百分含量为10-20％。

2、制备碳纤维增强受电弓碳滑板材料

A)将质量百分含量为30％的上述制备的铜～石墨层间化合物、质量百分含量为30％的石油焦和质量百分含量为5％的短切碳纤维放入混捏锅内，于室温下混合40分钟，然后加入溶化后的质量百分含量为35％的中温沥青，再于150℃下混合130min，制得混合料；

B)停止加热，将混合料自由降温至90℃后，将混合料卸出，然后用油压机压制成料柱；再将料柱于放入烘箱内，于150℃下固化处理12小时；

C)将固化处理后的料柱粉碎成碎料，然后放入挤压机内，于230℃下进行挤压处理，制得半成品；

D)将半成品于1400℃下进行焙烧处理，即制得碳纤维增强受电弓碳滑板材料。

实施例3

1、制备铜～石墨层间化合物

1)将天然鳞片石墨与无水氯化铜混合均匀后加入到不锈钢压力罐中，其中鳞片石墨与无水氯化铜的摩尔比为3∶4；

2)将不锈钢压力罐密封后置入井式炉中，以3℃/min的升温速率将井式炉加热至550℃，保温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～石墨层间化合物平铺于不锈钢托盘后置入氢气还原炉，将还原炉抽真空至0.01MPa，然后以1L/min的流量通入氢气，同时以1℃/min的升温速率将还原炉加热至550℃，保温52小时；再以1℃/min的升温速率继续将还原炉加热至870℃，保温24小时后自然降温至室温，粉碎至300-350目，制得铜-石墨层间化合物，铜-石墨层间化合物的电阻率为50-60μΩ·m，铜-石墨层间化合物中铜的质量百分含量为10-20％。

2、制备碳纤维增强受电弓碳滑板材料

A)将质量百分含量为50％的上述制备的铜～石墨层间化合物、质量百分含量为20％的石油焦和质量百分含量为2％的短切碳纤维放入混捏锅内，于室温下混合30分钟，然后加入溶化后的质量百分含量为28％的中温沥青，再于170℃下混合110min，制得混合料；

B)停止加热，将混合料自由降温至90℃后，将混合料卸出，然后用油压机压制成料柱；再将料柱于放入烘箱内，于130℃下固化处理14小时；

C)将固化处理后的料柱粉碎成碎料，然后放入挤压机内，于210℃下进行挤压处理，制得半成品；

D)将半成品于1350℃下进行焙烧处理，即制得碳纤维增强受电弓碳滑板材料。

实施例4

1、制备铜铁～石墨层间化合物

1)将天然鳞片石墨与混合金属氯化物混合均匀后加入到不锈钢压力罐中，其中鳞片石墨与混合金属氯化物的摩尔比为1∶2，其中所述混合金属氯化物包括无水氯化铜和无水氯化铁，无水氯化铜与无水氯化铁的摩尔比为2∶1；

2)将不锈钢压力罐密封后置入井式炉中，以2℃/min的升温速率将井式炉加热至400℃，保温36小时后自然降温至室温，制得氯化铜～氯化铁～石墨层间化合物；

3)将氯化铜～氯化铁～石墨层间化合物平铺于不锈钢托盘后置入氢气还原炉，将还原炉抽真空至0.01MPa，然后以1L/min的流量通入氢气，同时以1℃/min的升温速率将还原炉加热至350℃，保温48小时；再以1℃/min的升温速率继续将还原炉加热至900℃，保温24小时后自然降温至室温，粉碎至300-350目，制得铜铁-石墨层间化合物，铜铁-石墨层间化合物的电阻率为50-60μΩ·m，铜铁-石墨层间化合物中金属铜与铁的质量百分含量共为10-20％。

2、制备碳纤维增强受电弓碳滑板材料

A)将质量百分含量为60％的上述制备的铜铁～石墨层间化合物、质量百分含量为10％的石油焦和质量百分含量为5％的短切碳纤维放入混捏锅内，于室温下混合25分钟，然后加入溶化后的质量百分含量为25％的中温沥青，再于155℃下混合130min，制得混合料；

B)停止加热，将混合料自由降温至90℃后，将混合料卸出，然后用油压机压制成料柱；再将料柱于放入烘箱内，于145℃下固化处理11小时；

C)将固化处理后的料柱粉碎成碎料，然后放入挤压机内，于220℃下进行挤压处理，制得半成品；

D)将半成品于1300℃下进行焙烧处理，即制得碳纤维增强受电弓碳滑板材料。

实施例5

1、制备铜铁～石墨层间化合物

1)将天然鳞片石墨与混合金属氯化物混合均匀后加入到不锈钢压力罐中，其中鳞片石墨与混合金属氯化物的摩尔比为2∶3，其中所述混合金属氯化物包括无水氯化铜和无水氯化铁，无水氯化铜与无水氯化铁的摩尔比为2∶1；

2)将不锈钢压力罐密封后置入井式炉中，以4℃/min的升温速率将井式炉加热至500℃，保温36小时后自然降温至室温，制得氯化铜～氯化铁～石墨层间化合物；

3)将氯化铜～氯化铁～石墨层间化合物平铺于不锈钢托盘后置入氢气还原炉，将还原炉抽真空至0.01MPa，然后以2L/min的流量通入氢气，同时以1℃/min的升温速率将还原炉加热至400℃，保温48小时；再以2℃/min的升温速率继续将还原炉加热至850℃，保温24小时后自然降温至室温，粉碎至300-350目，制得铜铁-石墨层间化合物，铜铁-石墨层间化合物的电阻率为50-60μΩ·m，铜铁-石墨层间化合物中金属铜与铁的质量百分含量共为10-20％。

2、制备碳纤维增强受电弓碳滑板材料

A)将质量百分含量为54％的上述制备的铜铁～石墨层间化合物、质量百分含量为8％的石油焦和质量百分含量为3％的短切碳纤维放入混捏锅内，于室温下混合35分钟，然后加入溶化后的质量百分含量为35％的中温沥青，再于165℃下混合125min，制得混合料；

B)停止加热，将混合料自由降温至90℃后，将混合料卸出，然后用油压机压制成料柱；再将料柱于放入烘箱内，于135℃下固化处理12小时；

C)将固化处理后的料柱粉碎成碎料，然后放入挤压机内，于230℃下进行挤压处理，制得半成品；

D)将半成品于1400℃下进行焙烧处理，即制得碳纤维增强受电弓碳滑板材料。实施例6

1、制备铁～石墨层间化合物

1)将天然鳞片石墨与无水氯化铁混合均匀后加入到不锈钢压力罐中，其中鳞片石墨与无水氯化铁的摩尔比为3∶4；

2)将不锈钢压力罐密封后置入井式炉中，以2℃/min的升温速率将井式炉加热至480℃，保温24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于不锈钢托盘后置入氢气还原炉，将还原炉抽真空至0.01MPa，然后以1L/min的流量通入氢气，同时以1℃/min的升温速率将还原炉加热至320℃，保温50小时；再以1℃/min的升温速率继续将还原炉加热至870℃，保温24小时后自然降温至室温，粉碎至300-350目，制得铁-石墨层间化合物，铁-石墨层间化合物的电阻率为50-60μΩ·m，铁-石墨层间化合物中铁的质量百分含量为10-20％。

2、制备碳纤维增强受电弓碳滑板材料

A)将质量百分含量为50％的上述制备的铁～石墨层间化合物、质量百分含量为25％的石油焦和质量百分含量为10％的短切碳纤维放入混捏锅内，于室温下混合30分钟，然后加入溶化后的质量百分含量为15％的中温沥青，再于170℃下混合110min，制得混合料；

B)停止加热，将混合料自由降温至90℃后，将混合料卸出，然后用油压机压制成料柱；再将料柱于放入烘箱内，于130℃下固化处理14小时；

C)将固化处理后的料柱粉碎成碎料，然后放入挤压机内，于210℃下进行挤压处理，制得半成品；

D)将半成品于1350℃下进行焙烧处理，即制得碳纤维增强受电弓碳滑板材料。

试验例

以本发明实施例1-6制造的碳纤维增强受电弓碳滑板材料，按照常规方法制备成碳纤维增强受电弓碳滑板，按照TB/T 1842.3-2008的方法测定其性能指标，结果见表1；

以德国PANTRAC公司生产的RH84受电弓碳滑板作为对照例1，以自贡聚鑫碳素有限公司生产的受电弓碳滑板作为对照例2进行性能测试，结果见表1。

表1 受电弓碳滑板的性能指标测试结果

Claims (10)

1.一种碳纤维增强受电弓碳滑板材料，其特征在于，包括石墨层间化合物，石油焦，碳纤维和中温沥青。

2.根据权利要求1所述的受电弓碳滑板材料，其特征在于，所述石墨层间化合物的质量百分含量为30～60％，石油焦的质量百分含量为8～32％，碳纤维的质量百分含量为2～16％，中温沥青的质量百分含量为15～35％。

3.根据权利要求1所述的受电弓碳滑板材料，其特征在于，所述石墨层间化合物为金属～石墨层间化合物，金属～石墨层间化合物中金属的质量百分含量为10-20％。

4.根据权利要求1至3中任一所述的受电弓碳滑板材料，其特征在于，所述石墨层间化合物选自铜～石墨层间化合物、铁～石墨层间化合物、铜铁～石墨层间化合物中的一种。

5.根据权利要求3所述的受电弓碳滑板材料，其特征在于，所述金属～石墨层间化合物的制备方法包括如下步骤：

1)将鳞片石墨与金属氯化物混合均匀，制得混合物；

2)将混合物进行加热处理，制得金属氯化物～石墨层间化合物；

3)将金属氯化物～石墨层间化合物进行还原处理，制得金属～石墨层间化合物。

6.根据权利要求5所述的受电弓碳滑板材料，其特征在于，步骤1)中所述鳞片石墨与金属氯化物的摩尔比为(1～3)∶(2～4)。

7.根据权利要求5所述的受电弓碳滑板材料，其特征在于，步骤2)中所述加热处理包括：以2～5℃/min的升温速率将混合物加热至400～550℃，保温24～76小时后降温至室温，制得金属氯化物～石墨层间化合物。

8.根据权利要求5所述的受电弓碳滑板材料，其特征在于，步骤3)中所述还原处理包括：将金属氯化物～石墨层间化合物置入氢气还原炉后进行抽真空处理；然后以1～2L/min的流量通入氢气，同时以1～2℃/min的升温速率将金属氯化物～石墨层间化合物加热至300～550℃，保温45～52小时；再以1～2℃/min的升温速率继续将金属氯化物～石墨层间化合物加热至850～900℃，保温24小时后降温至室温，制得金属～石墨层间化合物。

9.根据权利要求1或2所述的受电弓碳滑板材料，其特征在于，所述石墨层间化合物的平均粒度为300～350目，电阻率为50-60μΩ·m；所述石油焦中200目粒度的质量百分含量为70～80％，300目粒度的质量百分含量为20～30％；所述碳纤维为短切碳纤维，长度为1-5mm；所述中温沥青的水分≤0.3％，灰份≤1％，软化点为65-90℃；

10.一种碳纤维增强受电弓碳滑板材料的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

A)将石墨层间化合物、石油焦和碳纤维混合均匀，然后加入溶化后的中温沥青，再于150～170℃下进行混合处理，制得混合料；

B)将混合料降温至90℃后压制成料柱，再将料柱于130～150℃进行固化处理10～14小时；

C)将固化处理后的料柱粉碎成碎料，再于200～230℃下进行挤压处理，制得半成品；

D)将半成品进行焙烧处理，制得碳纤维增强受电弓碳滑板材料。