CN1062841C - 含有纳米碳管的集电复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含有纳米碳管的集电复合材料，该复合材料以焦炭、石墨、碳内米管、铜粉和粘结剂为原料，以一定比例均匀混合后在一定压力下压制成型，然后在保护气氛下将半成品加热至1000℃左右，保温一定时间得到本发明的集电复合材料。本发明的含有纳米碳管的集电复合材料导电性较高，又有较好的磨损特性，能够与导线形成一对理想的、具有良好滑动性能的导电磨损偶件，因而能广泛地应用于交通运输业和电力工业。

Description

含有纳米碳管的集电复合材料
本发明涉及一种含有纳米碳管的集电材料，它是将纳米碳管与碳质骨料(包括焦炭、石墨、炭黑等)、填充料及粘结剂等细小粉末均匀混合、压制成型及高温烧结而成的复合材料，属材料科学技术领域。
滑动集电材料在交通运输业和电力工业中被大量应用，如电力机车的受电弓滑板(以下简称滑板)，它是供应机车电力的关键部件，是它直接从供电线上获取电能并供应机车。电力工业中的电机电刷等也属于这类材料，这是工业上用量较大的一类材料。这类材料使用性能要求很高，既对电学性能如导电性、耐弧性等有很高的要求，又要求综合机械性能指标如强度、耐磨性和耐腐蚀性等，所以一直受到技术研究部门的高度重视。
滑动集电材料通常用碳质骨料与粘结剂制成，碳具有良好的自润滑作用、耐磨性低，因而能够减轻对导线的磨耗，而且碳的熄弧性好，它可随电弧燃烧而自动将电弧熄灭。但是纯碳质滑板的电阻率高，因而导电性较低。为了提高导电性，要加入金属粉末及金属纤维等，形成一种复合材料。或在高温高压下向多孔的碳滑板中渗入金属形成浸金属滑板，它仍有纯碳滑板材料的自润滑性，能在导线的磨擦面上形成一层润滑膜。它的缺点是生产操作过程复杂，所用设备要求高，生产成本高，生产效率低。
围绕这类材料产生了不少专利，如日本专利特开平1-157464，特开平2-162671等，这些专利都涉及用碳质骨料、金属粉末、金属纤维等复合而成的材料。这些材料的导电性及强度得到了很大提高，但与此同时耐磨性相应提高，因而对供电导线的磨损加重，而且随金属量增加，滑板与供电导线磨擦时会产生较多火花。因而如耐磨性太低，滑板自身的使用寿命就会降低。但如耐磨性太高，则对导线的磨损加重。作为理想的导电磨擦偶件所用的滑动集电材料应该具有合适的耐磨性。
本发明的目的是设计一种含有纳米碳管的集电复合材料，将具有很高导电性能的纳米碳管加入到集电材料中，以满足电力机车对受流滑板的导电性、磨损率及寿命等综合指标的要求。
本发明设计的含有纳米碳管的集电复合材料，其成份为(体积百分比)：
焦炭：10～60％，纳米碳管：0.1～10％，石墨：1～15％
铜粉：1～25％， 炭黑    ：1～8％     余为粘结剂沥青。
其制备工艺为：
(1)将上述原料均匀混合后，放入成型模中压制成型，压制时均匀缓慢加压，成型压力为100～250兆帕(MPa)；
(2)把压制成型后的半成品置于带有保护气氛的加热炉内，加热至950～1100℃，保温2～4小时，随炉冷却至室温。
上述工艺中，保护气氛可以为氮气或氩气。
滑动集电材料是工业界的重要材料品种，以我国电气机车受流用滑板为例，我国现有电气化铁路近万公里(还在不断延伸)，电力机车2000多台，每年约消耗滑板50万条，价值约4000万元，此外建设高速列车的计划已排入议事日程，京沪高速列车时速已达200km左右，因而高速列车的迅速发展对受流滑板的需求也将急速增加。而本发明设计的含有纳米碳管的集电复合材料，其导电性很高，而且具有较好的磨损特性，它能够与导线形成一对理想的、具有良好滑动性能的导电摩擦偶件，因而它能代替具有高导电性的金属，既使导电性大幅度提高又不会损害导线，因而本发明的集电复合材料，将极大地满足对受流滑板的需求。
下面介绍本发明的实施例。
编号                    成份 成型压力(Mpa)    加热工艺             性能
焦炭 石墨 炭黑 纳米碳管 铜 温度(℃)  时间(小时)  电阻率(μΩ.m)     耐磨性(mm2.m/mm3×103)
  *1     47     6     5     2     120  980     3     71.4     1.45
  *2     30     5     5     20     200  960     2     9.1     9.13
    3     46     6     5  1.0     2     120  980     3     50.2     1.51
    4     45.5     6     5  1.5     2     120  980     3     41.6     1.68
    5     45     6     5  2.0     2     120  980     3     21.5     1.65
    6     44.5     6     5  2.5     2     120  980     3     19.4     1.72
    7     44     6     5  3.0     2     120  980     3     14.6     1.86
    8     43     3     5  6.0     2     120  980     3     6.4     1.94
  *9     25     10     5     20     200  960     2     8.7     8.24
    10     35.6     5     5  0.4     14     180  960     2     19.3     5.25
    11     41.8     5     3  0.2     10     150  960     3     24.1     3.82
    12     34     5     5  2.0     14     180  960     2     8.1     4.83
    13     38     5     5  2.0     10     150  960     3     9.5     4.16
    14     37     5     5  3.0     10     150  960     3     4.2     3.86
注：1、表中打*号的1、2、9实施例为对比样品。
2、耐磨性测定是在盘销式磨损试验机上进行，磨擦面为铜板，对不同成分的样品进行对比性实验，磨损率定义为试验样品单位行程、单位面积上体积损失，取其倒数定义为耐磨性，其单位为mm2.m/mm3，其数值越大，说明耐磨性越高。

Claims (1)

1、一种含有纳米碳管的集电复合材料，该材料的成份为(体积百分比)：
焦炭：10～60％，纳米碳管：0.1～10％，石墨：1～15％
铜粉：1～25％， 炭黑    ：1～8％     余为粘结剂沥青
其制备工艺为：
(1)将上述原料均匀混合后，放入成型模中压制成型，压制时均匀缓慢加压，成型压力为100～250兆帕(MPa)；
(2)把压制成型后的半成品置于带有氮气或氩气的加热炉内，加热至950～1100℃，保温2～4小时，随炉冷却至室温。
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