CN105291847A - 一种受电弓滑板的制作方法 - Google Patents

一种受电弓滑板的制作方法 Download PDF

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Abstract

一种受电弓滑板的制作方法，包括以下步骤：将石墨烯合金薄膜缠绕到受电弓滑板的棒芯上，直至达到设计的外型尺寸，再将已缠绕石墨烯合金薄膜的受电弓滑板固定到成型内模；在真空条件及载气的保护下，将已缠绕石墨烯合金薄膜的受电弓滑板于温度500℃~1200℃、压力30MPa~400MPa的条件下完成热压复合成型。本发明所制得的受电弓滑板具有高耐磨性、高强度、耐腐蚀性、高散热及导电性的综合特性，可应用于时速350~600公里的高速机车或其它类似的受电导轨等。

Description

一种受电弓滑板的制作方法
技术领域
本发明涉及复合材料科技应用领域，特别是涉及一种受电弓滑板的制作方法。
背景技术
随着国民经济的发展和交通运输市场竞争的加剧，提高铁路运营速度己成为一个亟待解决的重要课题。目前我国的铁路提速是通过修建电气化铁路和对既有线路改造实现的。自1961年我国第一条电气化铁路开通后，经过40多年的发展，有了巨大的进步，目前国内的电气化里程已达到2.2万公里，其中时速200公里及以上的里程达到6003公里。铁路的电气化和高速化已成为世界铁路运输发展的趋势，只有实现电气化，才能实现铁路运输的高速化目标。而受电弓滑板和接触网导线是高速铁路的灵魂部件，二者之间的载流摩擦磨损性能是涉及弓网系统能否正常运行的关键问题，直接影响电力机车的动力供应、机车运行速度以及铁路运营成本、甚至危及行车安全。因此，对于滑板与导线载流摩擦磨损性能的研究长期以来一直是备受人们关注的一个课题。
滑板与导线的载流摩擦磨损问题，既与相互配副组合的材料间滑动摩擦磨损机制有关，又涉及这一对摩擦副滑动载流的特殊工况，是一个相对复杂的研究领域。滑板材料的现状及发展、受电弓滑板的工作条件具有载荷随机变化、接触时有强电流通过高滑动速度环境条件复杂多变等显著特点，因此对其选材有着十分苛刻的要求。在接触网一定的前提下，滑板一般应满足以下性能要求：良好的导电性、抑制离线电弧的产生和抗电弧烧蚀性、良好的自耐磨性和对导线的减磨性、足够的强度以及对自然环境较强的适应性等。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种具有高耐磨性、高强度、耐腐蚀性、高散热及导电性的受电弓滑板的制作方法。
本发明采用的技术方案是：一种受电弓滑板的制作方法，将石墨烯合金薄膜缠绕到受电弓滑板的棒芯上，直至达到设计的外型尺寸，再将已缠绕石墨烯合金薄膜的受电弓滑板固定到成型内模；在真空条件及载气的保护下，将已缠绕石墨烯合金薄膜的受电弓滑板于温度500℃~1200℃、压力30MPa~400MPa的条件下完成热压复合成型。
进一步，具体包括以下步骤：
（1）将石墨烯合金薄膜缠绕到受电弓滑板的棒芯上，并沿受电弓滑板的棒芯轴向来回重复缠绕500~3000层，直至达到设计的外型尺寸，再将已缠绕石墨烯合金薄膜的受电弓滑板固定到成型内模，并抽真空至真空度2.0×10E-3Pa以上；
（2）在载气的保护及真空度为2.0×10E-1Pa以上的真空环境下，将已缠绕石墨烯合金薄膜的受电弓滑板于温度500℃~1200℃、压力30MPa~400MPa的条件下完成热压复合成型。
进一步，步骤（1）中，所述石墨烯合金薄膜均匀连续紧密地缠绕到受电弓滑板的棒芯上，并沿受电弓滑板的棒芯轴向来回重复缠绕1000~2000层。
进一步，所述石墨烯合金薄膜的厚度小于3um。
进一步，所述石墨烯合金薄膜由单层片或多层片石墨烯粉体、铜、含有银或镁合金添加剂的铜合金、含镍和钛的铜合金中的一种或多种组成。
进一步，所述受电弓滑板的棒芯材质由铜、铜合金、碳纤维、不锈钢纤维、玄武岩纤维中的一种或多种组成。
进一步，所述受电弓滑板的棒芯由不同几何形状的连续线材、带材、棒材中的一种或多种组成。
进一步，所述热压复合成型的温度达到500℃~1200℃时，施加压力30MPa~400MPa并保温20~40min。
进一步，所述热压复合成型的温度为650℃~850℃，压力为100MPa~200MPa。
进一步，所述载气为氮气或氦气。
本发明与现有技术相比具有如下特点：
（1）将石墨烯合金薄膜均匀连续紧密地缠绕到受电弓滑板的棒芯上，实现对受电弓滑板的表面改性使其成为一种新型多层复合材料，而获得具有高耐磨性、高强度、耐腐蚀性、高散热及导电性的综合特性来满足以下性能要求:良好的导电性、抑制离线电弧的产生和抗电弧烧蚀性、良好的自耐磨性和对导线的减磨性、足够的强度、对自然环境较强的适应性等，从而避免滑板与导线的载流摩擦磨损问题；
（2）所制备的石墨烯合金受电弓滑板具有高强高密，各向同性炭密度≥1.75g/cm3，三点弯曲强度≥100MPa，电阻率≤35μΩ·m；
（3）所制备的石墨烯合金受电弓滑板可应用于时速350~600公里的高速机车或其它类似的受电导轨等，从而实现铁路运输的高速化目标。
附图说明
图1为本发明受电弓滑板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细、完整地说明。
实施例1
本实施例受电弓滑板的制作方法包括以下步骤：
（1）在洁净环境下选用厚2.5um×30mm宽的石墨烯铜合金薄膜1，将其均匀连续紧密地缠绕在表面清洁处理的铜合金受电弓滑板棒芯2上，并沿受电弓滑板棒芯轴向来回重复缠绕1000层，并且达到设计的外形尺寸；
（2）将已缠绕石墨烯合金薄膜的受电弓滑板固定到成型内模，并将成型模放入真空室内，抽真空至2.0×10E-3Pa的真空环境下，使用氮气将工作真空压强保持在2.0×10E-1Pa下，待热压成型模温度达到650℃时，对型模施加压力200MPa并保持40min，随后经120min降温至室温、充气恢复至常压，即可获得新型结构的石墨烯合金受电弓滑板。
实施例2
本实施例受电弓滑板的制作方法包括以下步骤：
（1）在洁净环境下选用厚2.0um×30mm宽的石墨烯含银0.2%添加剂的铜合金薄膜1，将其均匀连续紧密地缠绕在表面清洁处理的铜合金受电弓滑板棒芯2上，并沿受电弓滑板棒芯轴向来回重复缠绕2000层，并且达到设计的外形尺寸；
（2）将已缠绕石墨烯合金薄膜的受电弓滑板固定到成型内模，并将成型模放入真空室内，抽真空至2.0×10E-3Pa的真空环境下，使用氦气将工作真空压强保持在2.0×10E-1Pa下，待热压成型模温度达到850℃时，对成型模施加压力30MPa并保持30min，随后经120min降温至室温、充气恢复至常压，即可获得新型结构的石墨烯合金受电弓滑板。
实施例3
本实施例受电弓滑板的制作方法包括以下步骤：
（1）在洁净环境下选用厚2.0um×30mm宽的石墨烯含银0.2%添加剂的铜合金薄膜1，将其均匀连续紧密地缠绕在表面清洁处理的含50%碳纤维的铜合金受电弓滑板棒芯2上，并沿受电弓滑板棒芯轴向来回重复缠绕2000层，并且达到设计的外形尺寸；
（2）将已缠绕石墨烯合金薄膜的受电弓滑板固定到成型内模，并将成型模放入真空室内，抽真空至2.0×10E-3Pa的真空环境下，使用氮气将工作真空压强保持在2.0×10E-1Pa下，待热压成型模温度达到500℃时，对成型模施加压力30MPa并保持30min，随后经120min降温至室温、充气恢复至常压，即可获得新型结构的石墨烯合金受电弓滑板。
实施例4
本实施例受电弓滑板的制作方法包括以下步骤：
（1）在洁净环境下选用厚2.0um×30mm宽的石墨烯铜合金薄膜1，将其均匀连续紧密地缠绕在表面清洁处理的含30%碳纤维的铜合金受电弓滑板棒芯2上，并沿受电弓滑板棒芯轴向来回重复缠绕3000层，并且达到设计的外形尺寸；
（2）将已缠绕石墨烯合金薄膜的受电弓滑板固定到成型内模，并将成型模放入真空室内，抽真空至2.0×10E-3Pa的真空环境下，使用氦气将工作真空压强保持在2.0×10E-1Pa下，待热压成型模温度达到1200℃时，对成型模施加压力400MPa并保持40min，随后经120min降温至室温、充气恢复至常压，即可获得新型结构的石墨烯合金受电弓滑板。
实施例5
本实施例受电弓滑板的制作方法包括以下步骤：
（1）在洁净环境下选用厚2.5um×30mm宽的单层片石墨烯粉体与含5%的钛铜合金复合的薄膜1，将其均匀连续紧密地缠绕在表面清洁处理的含20%碳纤维和10%玄武岩纤维与铜复合的受电弓滑板棒芯2上，并沿受电弓滑板棒芯轴向来回重复缠绕500层，并且达到设计的外形尺寸；
（2）将已缠绕石墨烯合金薄膜的受电弓滑板固定到成型内模，并将成型模放入真空室内，抽真空至2.0×10E-3Pa的真空环境下，使用氦气将工作真空压强保持在2.0×10E-1Pa下，待热压成型模温度达到600℃时，对成型模施加压力300MPa并保持30min，随后经120min降温至室温、充气恢复至常压，即可获得新型结构的石墨烯合金受电弓滑板。
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的二维晶体，由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，厚度只有0.335nm，片材大小在3um至5um之间，是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，导热系数高达5300W/m·K，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。
利用上述实施例中的石墨烯合金薄膜，充分发挥石墨烯的优良特性，实现受电弓滑板表面具有层片结构的复合材料，所制备的石墨烯合金受电弓滑板具有高强高密，各向同性炭密度≥1.75g/cm3，三点弯曲强度≥100MPa，电阻率≤35μΩ·m。表面具有纳米厚度层片结构，摩擦系数小、磨损率低、电导率高、强度高、耐电弧离线烧蚀性能优异、耐离线机械冲击，特别适用于高速列车等滑板材料的使用。
最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种受电弓滑板的制作方法，其特征在于：将石墨烯合金薄膜缠绕到受电弓滑板的棒芯上，直至达到设计的外型尺寸，再将已缠绕石墨烯合金薄膜的受电弓滑板固定到成型内模；在真空条件及载气的保护下，将已缠绕石墨烯合金薄膜的受电弓滑板于温度500℃~1200℃、压力30MPa~400MPa的条件下完成热压复合成型。
2.根据权利要求1所述的受电弓滑板的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将石墨烯合金薄膜缠绕到受电弓滑板的棒芯上，并沿受电弓滑板的棒芯轴向来回重复缠绕500~3000层，直至达到设计的外型尺寸，再将已缠绕石墨烯合金薄膜的受电弓滑板固定到成型内模，并抽真空至真空度2.0×10E-3Pa以上；
（2）在载气的保护及真空度为2.0×10E-1Pa以上的真空环境下，将已缠绕石墨烯合金薄膜的受电弓滑板于温度500℃~1200℃、压力30MPa~400MPa的条件下完成热压复合成型。
3.根据权利要求2所述的受电弓滑板的制作方法，其特征在于：步骤（1）中，所述石墨烯合金薄膜均匀连续紧密地缠绕到受电弓滑板的棒芯上，并沿受电弓滑板的棒芯轴向来回重复缠绕1000~2000层。
4.根据权利要求3所述的受电弓滑板的制作方法，其特征在于：所述石墨烯合金薄膜的厚度小于3um。
5.根据权利要求4所述的受电弓滑板的制作方法，其特征在于：所述石墨烯合金薄膜由单层片或多层片石墨烯粉体、铜、含有银或镁合金添加剂的铜合金、含镍和钛的铜合金中的一种或多种组成。
6.根据权利要求1~5任一项所述的受电弓滑板的制作方法，其特征在于：所述受电弓滑板的棒芯材质由铜、铜合金、碳纤维、不锈钢纤维、玄武岩纤维中的一种或多种组成。
7.根据权利要求1~5任一项所述的受电弓滑板的制作方法，其特征在于：所述受电弓滑板的棒芯由不同几何形状的连续线材、带材、棒材中的一种或多种组成。
8.根据权利要求1~5任一项所述的受电弓滑板的制作方法，其特征在于：所述热压复合成型的温度达到500℃~1200℃时，施加压力30MPa~400MPa并保温20~40min。
9.根据权利要求1~5任一项所述的受电弓滑板的制作方法，其特征在于：所述热压复合成型的温度为650℃~850℃，压力为100MPa~200MPa。
10.根据权利要求1~5任一项所述的受电弓滑板的制作方法，其特征在于：所述载气为氮气或氦气。
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