CN107032799A - 一种受电弓滑板用石墨烯增强玻璃纤维及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石墨烯材料应用领域，具体涉及石墨烯增强玻璃纤维，特别涉及一种受电弓滑板用石墨烯增强玻璃纤维及制备方法。其特征是石墨烯以径向方向嵌入玻璃纤维表面微裂纹，通过高能量激光束或电子束扫描，使得金属粉极速熔化将石墨烯与解束玻璃纤维牢固焊接，从而使得石墨烯不易脱离玻璃纤维，长久发挥其增强功效。赋予了玻璃纤维高强度、高韧性、高模量、高耐磨性、高导电性、减摩性、耐酸碱性、质轻等特性，是一种理想的受电弓滑板材料。

Description

一种受电弓滑板用石墨烯增强玻璃纤维及制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯材料应用领域，具体涉及石墨烯增强玻璃纤维，特别涉及一种受电弓滑板用石墨烯增强玻璃纤维及制备方法。
背景技术
随着高速铁路和轨道交通的快速发展，高效接触网是铁路系统的重要组成部分，良好的载流性能是提高列车运行速度的关键因素。受电弓滑板是接触网系统的重要部件，其质量对机车的取流状况有重要影响。因此受电弓滑板材料的性能要求极高。通常需要同时满足以下几个方面的性能指标：（1）低的电阻率和接触电阻；（2）足够的抗冲击强度；（3）良好的减磨、自润滑性能；（4）一定的耐磨性；（5）良好的耐热、耐电弧性能；（6）一定的经济性；（7）便于成型和实现轻量化。目前受电弓滑板材料主要有金属滑板、碳滑板。由于金滑板材料是金属体，和导线材质相近，而且导线是静态，滑板是动态，所以金滑板对导线磨耗较大，而且在使用中易产生电弧；炭滑板本身具有很好的自润滑性能和减摩性能，对导线的磨损较小，但是炭滑板机械强度低，耐冲击性差。因此，要同时达到高导电性、高强度、耐冲击性、高耐磨性、良好的滑动性、轻量化，对材料的综合性能要求极高。
玻璃纤维是由玻璃熔化而得的一种高性能无机纤维。其显著的增强优势使得玻璃纤维在复合材料中具有极广的应用。如玻璃纤维复合材料具有优异的力学性能和抗弹性能用于制作防弹板；玻璃纤维复合材料可代替传统的木材用于建筑行业中；玻璃纤维复合材料维被广泛的用于汽车工业、飞机、轮船、风能等领域达到轻质高强的目的；玻璃纤维在体育器械、家用电器、电子产品等领域用量不断增加。
随着新生产工艺的不断出现推动，玻璃纤维复合材料的发展已经进入一个新的发展时期。特别是玻璃纤维复合材料在轨道交通上的应用，逐渐由玻璃纤维复合材料零部件应用发展应用到机头、箱体等。尤其是随着国家振兴汽车产业规划出台，将加速提升玻璃纤维复合材料制品在汽车上的应用总量，国家节能减排政策和新能源电力汽车的发展，以及汽车材料轻量化的发展趋势，为玻璃纤维复合材料制品在汽车上的应用提供了更加广阔的市场发展空间。鉴于此，将玻璃纤维用于受电弓滑板材料具有重要意义。
由于玻璃纤维是热熔后拉伸而成，在拉伸过程中通常会造成拉伸微裂纹，因此，玻璃纤维的微裂纹会使其强度缩减；其次，玻璃纤维弹性模量小，在用于复合材料刚性不足，容易变形；另外，玻璃纤维抗剪切能力较差，表现为发脆、纤维易断，用于复合材料表现为可承受的剪切力不足；更为重要的是玻璃纤维不导电。鉴于上述，将玻璃纤维用于受电弓滑板材料，需要解决和提升玻璃纤维的强度、模量、韧性、导电性。
石墨烯作为近年来应用的一种新型的高性能材料，具有增强、增韧、耐磨、导热、导电、润滑、耐腐蚀等独特的综合物理化学性能，显现出巨大的应用潜力。特别是，石墨烯是目前世界上力学强度最高的材料，其弹性模量高达1TPa，拉伸强度高达180GPa，断裂强度达到125GPa。因此，将石墨烯增强玻璃纤维用于受电弓滑板具有极高的实用意义。
发明内容
为了实现达到高导电性、高强度、耐冲击性、高耐磨性、良好的滑动性、轻量化的受电弓滑板材料要求，本发明提出一种受电弓滑板用石墨烯增强玻璃纤维，其特征是石墨烯以径向方向嵌入玻璃纤维表面微裂纹，并焊接缠绕形成石墨烯增强玻璃纤维。显著的优势是该石墨烯增强玻璃纤维具有高强度、高韧性、高模量、高耐磨性、高导电性、减摩性、耐酸碱性、质轻等特性，是一种理想的受电弓滑板材料｡
本发明进一步的目的是提供一种受电弓滑板用石墨烯增强玻璃纤维的制备方法。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种受电弓滑板用石墨烯增强玻璃纤维，其特征在于：石墨烯以径向方向嵌入玻璃纤维表面微裂纹，并焊接缠绕形成的石墨烯增强玻璃纤维。石墨烯通过以径向镶嵌于玻璃纤维的微裂纹中，不但提高了玻璃纤维的强度，而且赋予玻璃纤维高韧性和模量，有效防止其冲击和剪切的脆断；特别是石墨烯与玻璃纤维牢固的焊接为一体，使得玻璃纤维表现出优异的耐磨性、高导电性、减摩性、耐酸碱性；有一显著的优势是石墨烯增强玻璃纤维可以达到减量化，制备出的受电弓滑板质轻、成本低。
优选的，所述石墨烯为径向尺寸小于1μm，层厚小于10nm的石墨烯粉。
优选的，所述玻璃纤维为径向尺寸15-25μm，长度大于1mm。
一种受电弓滑板用石墨烯增强玻璃纤维的制备方法，其特征在于，具体制备方法如下：
（1）玻璃纤维解束：将玻璃纤维用洁净水反复冲洗，将冲洗干净的玻璃纤维分散在洁净水中，通过超声分散使玻璃纤维分散为单束，进一步滤干、烘干、热膨化分散得到解束玻璃纤维；
（2）石墨烯金属化：将石墨烯与金属粉以10-20:1的质量比混合，在研磨机中强制研磨使石墨烯界面与金属粉充分接触形成石墨烯-金属粉分散体；
（3）镶嵌组装：将步骤（1）得到的解束玻璃纤维与步骤（2）金属化得到的石墨烯-金属粉分散体以质量比100：10-25混合均匀，送入气流分散机，在气流作用下解束玻璃纤维与石墨烯-金属粉分散体完全悬浮接触，同时对气流分散机施加电场，使得石墨烯以较薄的径向方向嵌入玻璃纤维表面裂纹；
（4）极速焊接：通过高能量激光束或电子束扫描，将金属粉极速熔化使得石墨烯与解束玻璃纤维焊接，石墨烯均匀镶嵌并牢固焊接在解束玻璃纤维表面，得到石墨烯增强玻璃纤维。
优选的，所述研磨机为球磨机，较佳的使金属粉与石墨烯界面接触并附着。
优选的，所述的金属粉为粒径小于10μm铜粉、铝粉、锡粉中的一种。
优选的，所述高能量激光选用激光功率15W，扫描速度3000mm/s。较佳的使金属粉在微观极速熔化焊接而不会将玻璃纤维粘接团聚。微观极速熔化焊接均匀牢固的将石墨烯固定于玻璃纤维的表面，使石墨烯的增强作用的到了充分的发挥。
在玻璃纤维领域，公知的，玻璃纤维在拉丝制备过程中存在微裂纹。石墨烯的增强功能是公知的。然而，将石墨烯与玻璃纤维的简单混合或者直接涂敷难以从根本上提升玻璃纤维强度、韧性。本发明通过金属粉辅助石墨烯，通过电场引导将石墨烯以较薄的径向方向镶嵌玻璃纤维的微裂纹并通过高能激光快速焊接在玻璃纤维表面，不但使的玻璃纤维强度、韧性、模量大幅提高，而且具有高耐磨性、高导电性、减摩性、耐酸碱性、质轻等特性，从而成为一种理想的受电弓滑板材料｡其制备的滑板自润滑性和减磨性能良好；可以有效地抗冲击、力学强度高、电阻率小，运行中有效克服了滑板断裂、掉块与导线粘连的现象。
本发明一种受电弓滑板用石墨烯增强玻璃纤维及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、通过将石墨烯以径向方向嵌入玻璃纤维表面微裂纹，并焊接缠绕形成石墨烯增强玻璃纤维。赋予了玻璃纤维高强度、高韧性、高模量、高耐磨性、高导电性、减摩性、耐酸碱性、质轻等特性，是一种理想的受电弓滑板材料｡
2、通过高能量激光束或电子束扫描，使得金属粉极速熔化将石墨烯与解束玻璃纤维牢固焊接，从而使得石墨烯不易脱离玻璃纤维，长久发挥其增强功效。
3、本发明制备方法工艺简短，设备成熟，制备过程物污染排放，适合于规模化生产和应用。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）玻璃纤维解束：将径向尺寸15-25μm，长度大于1mm的玻璃纤维用洁净水反复冲洗4次，除脱其中的可溶盐碱，将冲洗干净的玻璃纤维分散在洁净水中，通过超声分散使玻璃纤维分散为单束，进一步滤干、烘干、热膨化分散得到解束玻璃纤维；
（2）石墨烯金属化：将径向尺寸小于1μm，层厚小于10nm的石墨烯粉与粒径小于10μm铜粉10:1的质量比混合，在球磨机中强制研磨使石墨烯界面与铜粉充分接触形成石墨烯-铜粉分散体；
（3）镶嵌组装：将步骤（1）得到的解束玻璃纤维与步骤（2）金属化得到的石墨烯-铜粉分散体以质量比100：10混合均匀，送入气流分散机，在高压气流作用下解束玻璃纤维与石墨烯-铜粉分散体完全悬浮接触，同时对气流分散机施加高频电场，使得石墨烯以较薄的径向方向嵌入玻璃纤维表面裂纹；
（4）极速焊接：高能量激光选用激光功率15W，扫描速度3000mm/s，使铜粉在微观极速熔化焊接而不会将玻璃纤维粘接团聚，将石墨烯与解束玻璃纤维焊接，石墨烯均匀镶嵌并牢固焊接在解束玻璃纤维表面，得到石墨烯增强玻璃纤维。
将实施例1得到的墨烯增强玻璃纤维配比60％与20%铜粉、2％镍粉、18％石墨混合均匀，压制成型，烧结，制得受电弓滑板。通过测试，受电弓滑板的强度和抗冲击性能优异，且具有良好的导电性、滑动性和耐磨性。具体测试性能如表1所示。
实施例2
（1）玻璃纤维解束：将径向尺寸15-25μm，长度大于1mm的玻璃纤维用洁净水反复冲洗6次，除脱其中的可溶盐碱，将冲洗干净的玻璃纤维分散在洁净水中，通过超声分散使玻璃纤维分散为单束，进一步滤干、烘干、热膨化分散得到解束玻璃纤维；
（2）石墨烯金属化：将径向尺寸小于1μm，层厚小于10nm的石墨烯粉与粒径小于10μm铝粉15:1的质量比混合，在球磨机中强制研磨使石墨烯界面与铝粉充分接触形成石墨烯-铝粉分散体；
（3）镶嵌组装：将步骤（1）得到的解束玻璃纤维与步骤（2）金属化得到的石墨烯-铝粉分散体以质量比100：20混合均匀，送入气流分散机，在高压气流作用下解束玻璃纤维与石墨烯-铝粉分散体完全悬浮接触，同时对气流分散机施加高频电场，使得石墨烯以较薄的径向方向嵌入玻璃纤维表面裂纹；
（4）极速焊接：高能量激光选用激光功率15W，扫描速度3500mm/s，使铝粉在微观极速熔化焊接而不会将玻璃纤维粘接团聚，将石墨烯与解束玻璃纤维焊接，石墨烯均匀镶嵌并牢固焊接在解束玻璃纤维表面，得到石墨烯增强玻璃纤维。
将实施例2得到的墨烯增强玻璃纤维配比60％与20%铜粉、2％镍粉、18％石墨混合均匀，压制成型，烧结，制得受电弓滑板。通过测试，受电弓滑板的强度和抗冲击性能优异，且具有良好的导电性、滑动性和耐磨性。具体测试性能如表1所示。
实施例3
（1）玻璃纤维解束：将径向尺寸15-25μm，长度大于1mm的玻璃纤维用洁净水反复冲洗4次，除脱其中的可溶盐碱，将冲洗干净的玻璃纤维分散在洁净水中，通过超声分散使玻璃纤维分散为单束，进一步滤干、烘干、热膨化分散得到解束玻璃纤维；
（2）石墨烯金属化：将径向尺寸小于1μm，层厚小于10nm的石墨烯粉与粒径小于10μm锡粉20:1的质量比混合，在球磨机中强制研磨使石墨烯界面与锡粉充分接触形成石墨烯-锡粉分散体；
（3）镶嵌组装：将步骤（1）得到的解束玻璃纤维与步骤（2）金属化得到的石墨烯-锡粉分散体以质量比100：25混合均匀，送入气流分散机，在高压气流作用下解束玻璃纤维与石墨烯-锡粉分散体完全悬浮接触，同时对气流分散机施加高频电场，使得石墨烯以较薄的径向方向嵌入玻璃纤维表面裂纹；
（4）极速焊接：利用电子束扫描，使锡粉在微观极速熔化焊接而不会将玻璃纤维粘接团聚，将石墨烯与解束玻璃纤维焊接，石墨烯均匀镶嵌并牢固焊接在解束玻璃纤维表面，得到石墨烯增强玻璃纤维。
将实施例3得到的墨烯增强玻璃纤维配比60％与20%铜粉、2％镍粉、18％石墨混合均匀，压制成型，烧结，制得受电弓滑板。通过测试，受电弓滑板的强度和抗冲击性能优异，且具有良好的导电性、滑动性和耐磨性。具体测试性能如表1所示。
实施例4
（1）玻璃纤维解束：将径向尺寸15-25μm，长度大于1mm的玻璃纤维用洁净水反复冲洗4次，除脱其中的可溶盐碱，将冲洗干净的玻璃纤维分散在洁净水中，通过超声分散使玻璃纤维分散为单束，进一步滤干、烘干、热膨化分散得到解束玻璃纤维；
（2）石墨烯金属化：将径向尺寸小于1μm，层厚小于10nm的石墨烯粉与粒径小于10μm铜粉15:1的质量比混合，在球磨机中强制研磨使石墨烯界面与铜粉充分接触形成石墨烯-铜粉分散体；
（3）镶嵌组装：将步骤（1）得到的解束玻璃纤维与步骤（2）金属化得到的石墨烯-铜粉分散体以质量比100：25混合均匀，送入气流分散机，在高压气流作用下解束玻璃纤维与石墨烯-铜粉分散体完全悬浮接触，同时对气流分散机施加高频电场，使得石墨烯以较薄的径向方向嵌入玻璃纤维表面裂纹；
（4）极速焊接：高能量激光选用激光功率15W，扫描速度3100mm/s，使铜粉在微观极速熔化焊接而不会将玻璃纤维粘接团聚，将石墨烯与解束玻璃纤维焊接，石墨烯均匀镶嵌并牢固焊接在解束玻璃纤维表面，得到石墨烯增强玻璃纤维。
将实施例4得到的墨烯增强玻璃纤维配比60％与20%铜粉、2％镍粉、18％石墨混合均匀，压制成型，烧结，制得受电弓滑板。通过测试，受电弓滑板的强度和抗冲击性能优异，且具有良好的导电性、滑动性和耐磨性。具体测试性能如表1所示。
表1：

Claims (7)

1.一种受电弓滑板用石墨烯增强玻璃纤维，其特征在于：石墨烯以径向方向嵌入玻璃纤维表面微裂纹，并焊接缠绕形成的石墨烯增强玻璃纤维。
2.根据权利要求1所述一种受电弓滑板用石墨烯增强玻璃纤维，其特征在于：所述石墨烯为径向尺寸小于1μm，层厚小于10nm的石墨烯粉。
3.根据权利要求1所述一种受电弓滑板用石墨烯增强玻璃纤维，其特征在于：所述玻璃纤维为径向尺寸15-25μm，长度大于1mm。
4.一种受电弓滑板用石墨烯增强玻璃纤维的制备方法，其特征在于，具体制备方法如下：
（1）玻璃纤维解束：将玻璃纤维用洁净水反复冲洗，将冲洗干净的玻璃纤维分散在洁净水中，通过超声分散使玻璃纤维分散为单束，进一步滤干、烘干、热膨化分散得到解束玻璃纤维；
（2）石墨烯金属化：将石墨烯与金属粉以10-20:1的质量比混合，在研磨机中强制研磨使石墨烯界面与金属粉充分接触形成石墨烯-金属粉分散体；
（3）镶嵌组装：将步骤（1）得到的解束玻璃纤维与步骤（2）金属化得到的石墨烯-金属粉分散体以质量比100：10-25混合均匀，送入气流分散机，在气流作用下解束玻璃纤维与石墨烯-金属粉分散体完全悬浮接触，同时对气流分散机施加电场，使得石墨烯以较薄的径向方向嵌入玻璃纤维表面裂纹；
（4）极速焊接：通过高能量激光束或电子束扫描，将金属粉极速熔化使得石墨烯与解束玻璃纤维焊接，石墨烯均匀镶嵌并牢固焊接在解束玻璃纤维表面，得到石墨烯增强玻璃纤维。
5.根据权利要求4所述一种受电弓滑板用石墨烯增强玻璃纤维的制备方法，其特征在于：所述研磨机为球磨机，较佳的使金属粉与石墨烯界面接触并附着。
6.根据权利要求4所述一种受电弓滑板用石墨烯增强玻璃纤维的制备方法，其特征在于：所述的金属粉为粒径小于10μm铜粉、铝粉、锡粉中的一种。
7.根据权利要求4所述一种受电弓滑板用石墨烯增强玻璃纤维的制备方法，其特征在于：所述高能量激光选用激光功率15W，扫描速度3000mm/s。
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