CN107539132B - 一种轻型导电耐磨材料的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻型导电耐磨材料的制作方法，该方法中用含金属纳米粒子改性的石墨烯制成的碳纤维布或短纤维与石墨烯改性树脂进行机械叠加和交叉缠绕组成三维立体结构并热压成型材，在真空条件下使用氮气或氦气保护，进行低温和高温碳化及高温石墨化；按照本案方法制得的轻型导电耐磨材料具有工艺简单,产品重量轻、尺寸稳定、高自润滑耐磨、高强度、耐腐蚀性、高导热及导电的综合特性，此材料也可用于制作各种型状的导电耐磨件：受电弓滑板、自润滑耐磨密封件、高导热器件等。

Description

一种轻型导电耐磨材料的制作方法

技术领域

本发明涉及用于复合材料用途中的轻型导电耐磨材料的制作方法。

背景技术

目前运行在国内的电气化机车时速在200至450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。而受电弓滑板和接触网导线是高速铁路的核心部件，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、将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。在接触网一定的前提下、目前的滑板一般难以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、良好的自润滑耐磨性和对导线的减磨性、足够的强度、对自然环境的适应性, 造成使用受命不够理想特别是速度高于350公里以上的机车上等。

一种新型复合材料的引入将提升受电弓滑板的综合特性, 它们是: 碳纤维(carbon fiber,简称CF), 是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”,质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性。

石墨烯目前是世上最薄也是最坚硬的纳米材料,它几乎完全透明,只吸收2.3%的光;导热系数是金 刚石的3倍;常温下电子迁移率是商用硅材料的140倍;电阻率比铜和银更低,是目前电阻率最小的材料; 单层石墨烯的比表面积是最好活性炭的1.75倍;具有超强的刚度和硬度,强度是钢的100多倍。

如何将石墨烯运用到碳纤维材料中制作优良导电耐磨材料亟待研究。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种具有优良性能的轻型导电耐磨材料的制作方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种轻型导电耐磨材料的制作方法，该方法包括：

（1）、用含有金属改性石墨烯的碳纤维布或者短纤维与石墨烯改性树脂进行机械叠加和/或交叉缠绕制成具有三维立体结构的半成品，所述的金属改性石墨烯由金属纳米粒子沉积在单体石墨烯表面形成，所述的石墨烯改性树脂包括如下重量份的组分：环氧树脂：95～99.8份，石墨烯：0.1～5份，金属纳米粒子：0.05～2份；

（2）、将所述的半成品放入成型模具中而后进行真空热压制成预制品或者将所述的半成品直接真空热压制成预制料后再切割所述的预制料制成预制品；

（3）、在真空条件下使用氮气或氦气保护，将所述的型材依次进行碳化处理和石墨化处理，即制得所述的轻型导电耐磨材料。

上述技术方案中，优选的，所述的含有金属改性石墨烯的碳纤维布或者短纤维是经由所述的金属改性石墨烯改性制成，其中所述的含有金属改性石墨烯的碳纤维布或者短纤维中的金属改性石墨烯的质量含量为0.2%~ 20%。进一步优选，所述的含有金属改性石墨烯的碳纤维布或者短纤维是通过将所述的金属改性石墨烯溶入到碳纤维原丝液中, 经纺丝工艺加工成改性碳纤维丝后编织或短切断而成。进一步优选，所述的碳纤维布或短纤维是通过将所述的金属改性石墨烯溶入到制作碳纤维的上浆剂或编制碳纤维布的纺织粘合剂中，经纺丝工艺加工成改性碳纤维丝后编织或短切断而成。

上述技术方案中，优选的，所述的单体石墨烯由若干单层或多层结构的石墨烯微片体构成，所述石墨烯微片体的片层厚度为0.3nm~10nm。

上述技术方案中，优选的，所述的金属纳米粒子的粒径为1nm~20nm。

上述技术方案中，优选的，所述的金属纳米粒子中的金属为铜、银或含镍和钛的铜合金中的至少一种。

上述技术方案中，优选的，步骤（2）中，热压温度为100℃~300℃、热压压力为5 MPa~30MPa。

上述技术方案中，优选的，步骤（3）中，所述的碳化处理包括依次进行的低温碳化处理和高温碳化处理，所述的低温碳化处理的温度为300℃～1000℃，所述的高温碳化处理的温度为1000℃～1800℃。

上述技术方案中，优选的，步骤（3）中，所述的石墨化处理的温度为2000～3000℃。

上述技术方案中，优选的，所述的金属改性石墨烯中的金属含量为0.1% ～5% 。

与现有技术相比，本发明具有如下积极效果：按照本方法制作的材料具有重量轻、尺寸稳定、高自润滑耐磨、高强度、耐腐蚀性、高导热、良好的导电性、抑制离线电弧的产生和抗电弧烧蚀性、良好的自润滑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。

附图说明

附图1为实施例1中用于制备受电弓滑板的预制品的俯视图；

附图2为附图1沿A-A方向的剖视示意图；

附图3为附图2中B处的放大示意图；

附图4为实施例1中待制备的受电弓滑板的主视示意图；

附图5为实施例1中待制备的受电弓滑板的俯视示意图；

附图6为实施例1中在制备受电弓滑板的预制品上切割多个受电弓滑板预制品的示意图；

其中：1、纤维布；2、树脂；10、受电弓滑板；20、预制料。

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:

以制作电力牵引机车从接触网取得电能的电气设备—受电弓滑块为例，详细说明一下具体的制作过程，具体如下：

第一步、制作石墨烯碳纤维布

在洁净环境下选用微片体厚度从0.3nm至3nm的单体石墨烯，将粒径在2nm的铜沉积于单体石墨烯表面制得铜改性石墨烯，制得的铜改性石墨烯保证其铜的质量含量为0.02%~3%之间，将制得的、铜含量在0.02%~3%的铜改性石墨烯溶入到碳纤维用的原丝液中,铜改性石墨烯的质量百分含量为0.1%至5%之间，经常规纺丝和连续碳纤维生产线的加工后,制得含铜金属改性石墨烯的碳纤维短丝，而后编织成含铜改性石墨烯的碳纤维布待用。

第二步、制备受电弓滑板的预制品

在洁净环境下选用上述第一步制成的碳纤维布,优选厚1.5mm X 1200mm宽的碳纤维布, 将其放置在有抽真空的连续地机械折叠缠绕平台上，逐层涂覆石墨烯改性的环氧树脂，做到每涂覆一层树脂2再折叠一层碳纤维布1，如图1、2所示，折叠总层数依据受电弓滑板设计的外形尺寸, 如图3所示，实施例选用50层, 完成后将其放入专用定型模中, 并将成型模放入真空室内，抽气至真空度达到20Pa时使用氮气或氦气将工作真空度保持在30Pa以下，逐步升温热压成型模的温度达到150℃时对成型模施加压力5MPa并保持120min、随后用60min降温至室温、充气恢复至常压获得可制作受电弓滑板的预制料20。在洁净环境下，依据如图4、5所示的受电弓滑板10的外形尺寸选用线切割机械加工成型结构, 即可制得多个受电弓滑板的预制品，如图6所示。

第三步、碳化以及石墨化处理

进一步将受电弓滑板的预制品放置至碳纤维专用碳化炉和石墨化炉进行高温碳化处理： 其工艺条件是：在真空条件下使用氮气保护下经低温碳化升温曲线从450℃ 和高温碳化升温曲线从1200℃ 转化为具有乱层石墨结构。再通过在2000℃高的热处理温度下石墨化，使碳由无定型、乱层石墨结构向三维石墨结构转化，在真空条件下降温至室温既制成受电弓滑板成品。

按照上述方法制得的受电弓滑板成品，由于利用含铜金属改性石墨烯的碳纤维，其实现使受电弓滑板的表面具有三维交叉结构的复合材料，此结构具有高强高密各向同性碳密度≥1.75g/cm³，三点弯曲强度≥200MPa，电阻率≤25μΩ·m。这样，该受电弓滑板与导线接触面具有三维复合材料层结构，重量轻、摩擦系数小、磨损率低、电导率高，且具有高的强度，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的滑板材料使用。

实施例2:

制作一种轻型导电耐磨棒材的方法，具体步骤如下：

第一步、制作石墨烯碳纤维丝

在洁净环境下选用微片体厚度从0.5nm至6nm的单体石墨烯，将粒径在2nm的铜／银合金沉积于单体石墨烯表面制得铜／银合金改性石墨烯，制得的铜／银合金改性石墨烯保证其铜的质量含量为0.1%~3%之间、银的质量含量为0.05%～1.5%之间，将制得的铜／银合金含量在0.05%~4%的铜／银合金改性石墨烯溶入到碳纤维的上浆剂中, 经常规纺丝和连续碳纤维生产线的加工后,制得含铜／银合金金属改性石墨烯的碳纤维丝，待用。

第二步、制备轻型导电耐磨棒材的预制品

在洁净环境下选用第一步制得的铜金属改性石墨烯的碳纤维短丝，将其连续地表面涂覆铜／银合金石墨烯改性环氧树脂，并交叉缠绕在已成型的圆柱体模型上并沿棒芯轴向来回重复缠绕、棒芯直径从10mm至100mm之间选择, 并且达到设计的外形尺寸，制作成轻型导电耐磨棒材的半成品；将轻型导电耐磨棒材的半成品放入到专用定型模中, 并将成型模放入真空室内，抽气至真空度达到25Pa时使用氮气或氦气将工作真空度保持在30Pa以下，逐步升温热压成型模的温度达到180℃时对成型模施加压力8MPa并保持100min、随后用60min降温至室温、充气恢复至常压获得轻型高导电耐磨棒材的预制品。

第三步、碳化以及石墨化处理

进一步将轻型导电耐磨棒材的预制品放置至碳纤维专用碳化炉和石墨化炉进行高温碳化处理： 其工艺条件是： 在真空条件下使用氮气保护下经低温碳化升温曲线从450℃ 和高温碳化升温曲线从1200℃ 转化为具有乱层石墨结构。再通过在2000℃高的热处理温度下石墨化，使碳由无定型、乱层石墨结构向三维石墨结构转化，在真空条件下降温至室温即可制得轻型导电耐磨棒材的成品。

该例的轻型导电耐磨棒材的成品可用于机械加工成各种耐磨导电器件，制作得到的耐磨导电器件具有良好的导电性、抑制离线电弧的产生和抗电弧烧蚀性、良好的自润滑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。

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)

1.一种轻型导电耐磨材料的制作方法，其特征在于：该方法包括：

（1）、用含有金属改性石墨烯的碳纤维布或者短纤维与石墨烯改性树脂进行机械叠加和/或交叉缠绕制成具有三维立体结构的半成品，所述的金属改性石墨烯由金属纳米粒子沉积在单体石墨烯表面形成，所述的石墨烯改性树脂包括如下重量份的组分：环氧树脂：95～99.8份，石墨烯：0.1～5份，金属纳米粒子：0.05～2份；

（2）、将所述的半成品放入成型模具中而后进行真空热压制成预制品或者将所述的半成品直接真空热压制成预制料后再切割所述的预制料制成预制品；

（3）、在真空条件下使用氮气或氦气保护，将所述的预制品依次进行碳化处理和石墨化处理，即制得所述的轻型导电耐磨材料。

2.根据权利要求1所述的轻型导电耐磨材料的制作方法，其特征在于：所述的含有金属改性石墨烯的碳纤维布或者短纤维是经由所述的金属改性石墨烯改性制成，其中所述的含有金属改性石墨烯的碳纤维布或者短纤维中的金属改性石墨烯的质量含量为0.2%~ 20%。

3.根据权利要求2所述的轻型导电耐磨材料的制作方法，其特征在于：所述的含有金属改性石墨烯的碳纤维布或者短纤维是通过将所述的金属改性石墨烯溶入到碳纤维原丝液中, 经纺丝工艺加工成改性碳纤维丝后编织或短切断而成。

4.根据权利要求2所述的轻型导电耐磨材料的制作方法，其特征在于：所述的碳纤维布或短纤维是通过将所述的金属改性石墨烯溶入到制作碳纤维的上浆剂或编制碳纤维布的纺织粘合剂中，经纺丝工艺加工成改性碳纤维丝后编织或短切断而成。

5.根据权利要求1所述的轻型导电耐磨材料的制作方法，其特征在于：所述的单体石墨烯由若干单层或多层结构的石墨烯微片体构成，所述石墨烯微片体的片层厚度为0.3nm~10nm。

6.根据权利要求1所述的轻型导电耐磨材料的制作方法，其特征在于：所述金属纳米粒子的粒径为1nm~20nm，所述的金属纳米粒子中的金属为铜、银或含镍和钛的铜合金中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的轻型导电耐磨材料的制作方法，其特征在于：步骤（2）中，热压温度为100℃~300℃、热压压力为5 MPa ~30MPa。

8.根据权利要求1所述的轻型导电耐磨材料的制作方法，其特征在于：步骤（3）中，所述的碳化处理包括依次进行的低温碳化处理和高温碳化处理，所述的低温碳化处理的温度为300℃～1000℃，所述的高温碳化处理的温度为1000℃～1800℃。

9.根据权利要求1所述的轻型导电耐磨材料的制作方法，其特征在于：步骤（3）中，所述的石墨化处理的温度为2000～3000℃。

10.根据权利要求1所述的轻型导电耐磨材料的制作方法，其特征在于：所述的金属改性石墨烯中的金属含量为0.1% ～5% 。

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