CN106433037A - 石墨烯增强型碳纤维复合材料受电弓滑板及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了石墨烯增强型碳纤维复合材料受电弓滑板及其制造工艺，该受电弓滑板包括的组分及各组分的重量份为：石墨烯1‑5份、酚醛环氧树脂30‑40份、碳纤维布40‑50份、石墨粉1‑5份、硅灰石粉1‑5份、增韧剂3‑7份。本发明制造的受电弓滑板具有如下优点，导电性强，电阻率低于3.60µΩ•m；冲击韧性高，冲击韧性值高于5.00J/cm2；硬度高、耐磨性强，肖氏硬度达67以上；强度高，抗压强度高于75MPa，更能满足普通列车和高铁的运行需要，能有效解决我国高铁用滑板只能依赖进口的问题，实现自主生产产品替代进口产品。

Description

石墨烯增强型碳纤维复合材料受电弓滑板及其制造工艺
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料技术领域，具体地说就是石墨烯增强型碳纤维复合材料受电弓滑板及其制造工艺。
背景技术
目前的电力机车受电弓滑板主要为普通碳滑板，而之前使用的粉末冶金滑板和浸金属碳滑板等都存在很多缺陷逐步被淘汰了，普通碳滑板无论从减磨性能还是耐电弧性能都比较好，重量轻，噪音少，在使用过程中会在接触网导线上形成一层薄膜，大大减轻了对接触网的磨损，同时它还有良好的接触稳定性、对无线电信号干扰小等优点，但碳滑板机械强度低，脆性大，容易掉块和断裂，不仅使用寿命低，而且经常会引发弓网事故，再就是制造过程复杂，耗能高，对环境污染大。
公开号为CN1178745A的专利公开了一种电力机车用碳-碳复合材料受电弓滑板，虽然解决了滑板抗折强度低的问题，但因加入了铜网，对接触网导线的磨耗比大大提高；同时滑板中的铜网在雨季易受雨水侵蚀会造成滑板与铝托之间形成氧化层，使滑板的电阻增大，导电能力下降，易造成滑板短路甚至烧坏滑板。以上滑板均存在有一定的缺陷，不能满足技术发展的需要，普通列车应用效果不理想，而高铁用滑板更是只能依赖进口。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的一个目的是提供一种石墨烯增强型碳纤维复合材料受电弓滑板，该滑板耐磨性强，具有优良的润滑特性和高强度特性，并具有极高的冲击韧性及良好的导电性。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
石墨烯增强型碳纤维复合材料受电弓滑板，其特征在于：其包括的组分及各组分的重量份为：石墨烯1-5份、酚醛环氧树脂30-40份、碳纤维布40-50份、石墨粉1-5份、硅灰石粉1-5份、增韧剂3-7份。
作为本发明的第一优选技术方案，该受电弓滑板其包括的组分及各组分的重量份为：石墨烯2份、酚醛环氧树脂33份、碳纤维布45份、石墨粉2份、硅灰石粉2份、增韧剂4份，
作为本发明的第二优选技术方案，该受电弓滑板其包括的组分及各组分的重量份为：石墨烯1份、酚醛环氧树脂30份、碳纤维布40份、石墨粉1份、硅灰石粉1份、增韧剂3份，
作为本发明的第三优选技术方案，该受电弓滑板其包括的组分及各组分的重量份为：石墨烯5份、酚醛环氧树脂40份、碳纤维布50份、石墨粉5份、硅灰石粉5份、增韧剂7份，
本发明的另一个目的是提供上述石墨烯增强型碳纤维复合材料受电弓滑板的制造工艺，其包含以下步骤：
1)搅拌：将按上述重量份配比的石墨烯、酚醛环氧树脂、石墨粉、硅灰石粉、增韧剂用搅拌机混合均匀得到混合料；
2)涂胶碾压：用涂胶机将混合料涂抹在碳纤维布上，反复碾压，并将多余混合料挤压出来，使混合料与碳纤维布充分粘结；
3)烘干：碾压后的碳纤维布经60-100°C温度进行烘干处理；
4)叠加：将烘干后的碳纤维布进行裁剪，使裁剪后的四张碳纤维布的碳纤维线条纵向放置、一张碳纤维布的碳纤维线条横向放置, 五张碳纤维布叠加起来构成一组，按所需受电弓滑板高度求得所需叠加起来的碳纤维布总层数和组数，各组叠加起来装入模具内；
5)模压：模具放入热压机中对碳纤维布进行模压，在压力为4.9-6.8MPa、温度为120-160°C的环境下压制2-6h,热压成长方体压块；
6)热处理：压块在130-170°C下热处理3-6h，以使压块内部各组分充分交联，固化并消除内应力；
7)锯切：将经过热处理的压块按滑板要求尺寸进行锯切，得到受电弓滑板。
本发明具有的有益效果为：
与现有技术相比，本发明组分包括石墨烯、酚醛环氧树脂、碳纤维布、石墨粉、硅灰石粉和增韧剂，石墨烯是目前发现的强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，它使得滑板具有良好的导电性，而且滑板在运转过程中因打弧产生的热能可以迅速传导，不会造成滑板打弧处局部热量过高而烧毁滑板，还使得滑板坚硬耐磨；酚醛环氧树脂粘度大，可把各组分有效地粘合在一起，固化后交联密度高；碳纤维布作为基材，对滑板起增强加固作用；石墨粉起着导电和润滑作用；硅灰石粉对滑板起着增硬作用；增韧剂起着增加滑板冲击韧性的作用。本发明制造的受电弓滑板具有如下优点，导电性强，电阻率低于3.60µΩ•m；冲击韧性高，冲击韧性值高于5.00J/cm2；硬度高、耐磨性强，肖氏硬度达67以上；强度高，抗压强度高于75MPa，更能满足普通列车和高铁的运行需要，能有效解决我国高铁用滑板只能依赖进口的问题，实现自主生产产品替代进口产品。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的、效果以及实施例有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。
石墨烯增强型碳纤维复合材料受电弓滑板，其包括的组分及各组分的重量份为：石墨烯1-5份、酚醛环氧树脂30-40份、碳纤维布40-50份、石墨粉1-5份、硅灰石粉1-5份、增韧剂3-7份，
其中，石墨烯是目前发现的强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，它使得滑板具有良好的导电性，而且滑板在运转过程中因打弧产生的热能可以迅速传导，不会造成滑板打弧处局部热量过高而烧毁滑板，还使得滑板坚硬耐磨；酚醛环氧树脂粘度大，可把各组分有效地粘合在一起，固化后交联密度高；碳纤维布作为基材，对滑板起增强加固作用；石墨粉起着导电和润滑作用；硅灰石粉对滑板起着增硬作用；增韧剂起着增加滑板冲击韧性的作用。
实施例1：
该受电弓滑板，其包括的组分及各组分的重量份为：石墨烯2份、酚醛环氧树脂33份、碳纤维布45份、石墨粉2份、硅灰石粉2份、增韧剂4份，
该受电弓滑板的制造工艺为：其包含以下步骤：
1)搅拌：将按上述重量份配比的石墨烯、酚醛环氧树脂、石墨粉、硅灰石粉、增韧剂用搅拌机混合均匀得到混合料；
2)涂胶碾压：用涂胶机将混合料涂抹在碳纤维布上，反复碾压，并将多余混合料挤压出来，使混合料与碳纤维布充分粘结；
3)烘干：碾压后的碳纤维布经100°C温度进行烘干处理；
4)叠加：将烘干后的碳纤维布进行裁剪，裁剪成沿碳纤维线条方向长度为1000mm、垂直碳纤维线条方向长度为1100 mm的碳纤维布a，再裁剪成沿碳纤维线条方向长度为1100mm、垂直碳纤维线条方向长度为1000 mm的碳纤维布b,使四张碳纤维布a的碳纤维线条纵向放置、一张碳纤维布b的碳纤维线条横向放置,五张碳纤维布叠加起来构成一组，四张碳纤维布a的碳纤维线条与一张碳纤维布b的碳纤维线条垂直，其中，电流沿碳纤维布a的碳纤维线条方向流动，因此碳纤维布a起导电作用，碳纤维布起加固作用，按所需受电弓滑板高度求得所需叠加起来的碳纤维布总层数和组数，如高铁用滑板高55mm,若用0.2mm厚的碳纤维布，就需要275层、55个组，按55个组叠加起来装入模具内；而普通列车用滑板高35mm,若用0.2mm厚的碳纤维布，就需要175层、35个组，按35个组叠加起来装入模具内；
5)模压：模具放入热压机中对碳纤维布进行模压，在压力为6.8MPa、温度为160°C的环境下压制4h,热压成长方体压块，压块尺寸为长1100mm、宽1000mm；
6)热处理：压块在170°C下热处理6h，以使压块内部各组分充分交联，固化并消除内应力；
7)锯切：将经过热处理的压块按高铁用滑板要求的长1100mm、高55mm、宽22 mm尺寸进行锯切，得到高铁用受电弓滑板；按普通列车用滑板要求的长1100mm、高35mm、宽22 mm尺寸进行锯切，得到普通列车用受电弓滑板。
本实施例制得的受电弓滑板电阻率为3.52µΩ·m，冲击韧性值为5.21J/cm2 ，肖氏硬度为70，抗压强度为80.3MPa，该滑板电阻率小，冲击韧性大，硬度高，抗压强度高，上述技术指标均能满足普通列车和高铁的运行需要。
实施例2：
该受电弓滑板，其包括的组分及各组分的重量份为：石墨烯1份、酚醛环氧树脂30份、碳纤维布40份、石墨粉1份、硅灰石粉1份、增韧剂3份，
本实施例受电弓滑板的制造工艺同实施例1，制得的受电弓滑板电阻率为3.59µΩ·m，冲击韧性值为5.42J/cm2 ，肖氏硬度为68，抗压强度为83.4MPa，该滑板电阻率小，冲击韧性大，硬度高，抗压强度高，上述技术指标均能满足普通列车和高铁的运行需要。
实施例3：
该受电弓滑板，其包括的组分及各组分的重量份为：石墨烯5份、酚醛环氧树脂40份、碳纤维布50份、石墨粉5份、硅灰石粉5份、增韧剂7份，
本实施例受电弓滑板的制造工艺同实施例1，制得的受电弓滑板电阻率为3.36µΩ·m，冲击韧性值为5.05J/cm2 ，肖氏硬度为72，抗压强度为76.2MPa，该滑板电阻率小，冲击韧性大，硬度高，抗压强度高，上述技术指标均能满足普通列车和高铁的运行需要。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，并不脱离本发明的精神，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.石墨烯增强型碳纤维复合材料受电弓滑板，其特征在于：其包括的组分及各组分的重量份为：石墨烯1-5份、酚醛环氧树脂30-40份、碳纤维布40-50份、石墨粉1-5份、硅灰石粉1-5份、增韧剂3-7份。
2.根据权利要求1所述的石墨烯增强型碳纤维复合材料受电弓滑板，其特征在于：其包括的组分及各组分的重量份为：石墨烯2份、酚醛环氧树脂33份、碳纤维布45份、石墨粉2份、硅灰石粉2份、增韧剂4份。
3.根据权利要求1所述的石墨烯增强型碳纤维复合材料受电弓滑板，其特征在于：其包括的组分及各组分的重量份为：石墨烯1份、酚醛环氧树脂30份、碳纤维布40份、石墨粉1份、硅灰石粉1份、增韧剂3份。
4.根据权利要求1所述的石墨烯增强型碳纤维复合材料受电弓滑板，其特征在于：其包括的组分及各组分的重量份为：石墨烯5份、酚醛环氧树脂40份、碳纤维布50份、石墨粉5份、硅灰石粉5份、增韧剂7份。
5.一种制造如权利要求1-4任意一项所述的石墨烯增强型碳纤维复合材料受电弓滑板的工艺，其特征在于：其包含以下步骤：
1) 搅拌：将按上述重量份配比的石墨烯、酚醛环氧树脂、石墨粉、硅灰石粉、增韧剂用搅拌机混合均匀得到混合料；
2) 涂胶碾压：用涂胶机将混合料涂抹在碳纤维布上，反复碾压，并将多余混合料挤压出来，使混合料与碳纤维布充分粘结；
3) 烘干：碾压后的碳纤维布经60-100°C温度进行烘干处理；
4) 叠加：将烘干后的碳纤维布进行裁剪，使裁剪后的四张碳纤维布的碳纤维线条纵向放置、一张碳纤维布的碳纤维线条横向放置, 五张碳纤维布叠加起来构成一组，按所需受电弓滑板高度求得所需叠加起来的碳纤维布总层数和组数，各组叠加起来装入模具内；
5) 模压：模具放入热压机中对碳纤维布进行模压，在压力为4.9-6.8MPa、温度为120-160°C的环境下压制2-6h,热压成长方体压块；
6) 热处理：压块在130-170°C下热处理3-6h，以使压块内部各组分充分交联，固化并消除内应力；
7) 锯切：将经过热处理的压块按滑板要求尺寸进行锯切，得到受电弓滑板。
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