CN107903063A - 利用石墨烯浸金属碳材料制备地铁用受流器滑块的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新型炭材料技术领域，提供了利用石墨烯浸金属碳材料制备地铁用受流器滑块的方法，包括以下步骤：1、选用原料并进行配比，原料包括重量比为60~65%的煅后石油焦，重量比为15～20%的沥青焦，重量比为15～20%的特种石墨粉、重量比为5~10%的碳纤维、重量比为3~5%的石墨烯；2、混捏：先干混，然后加入与原料的质量比为25:75～30：70的粘结剂进行湿混得到糊料；3、轧片、磨粉、螺旋挤压成型；4、焙烧：在氮气电炉中进行热处理；5、浸金属：预热处理后装入密封浸渍罐中进行抽真空，当真空度为0.00Mpa时，注入高温铜水并进行加压浸渍处理；6、机械加工和粘结组装。本发明生产的产品理化性能指标好，可应用于地铁领域。

Description

利用石墨烯浸金属碳材料制备地铁用受流器滑块的方法
技术领域
本发明属于新型炭材料技术领域，具体涉及一种利用石墨烯浸金属碳材料制备地铁用受流器滑块的方法。
背景技术
随着科学技术的发展，轨道交通在国民经济中起着愈来愈得要的作用。地铁轨道供电，就是在列车行走的两条路轨以外，再加上带电的铁轨。这条带电铁轨通常设于两轨之间或其中一轨的外侧。列车的集电装置在带电路轨上接触并滑行，把电力传到列车上。这种集电装置在英语称为“shoe”，中译为“集电靴、受流靴、受流器等”。轨道供电系统的电压较接触网系统为小，接触网一般能提供25000伏特或以上的交流电。
目前地铁受流器大多使用铁质、铜质滑块，主要成分是铜、铁、硅和锌等，只是利用其较好的导电性能，但其与三轨摩擦系数较大，由于铁、铜块制造工艺不复杂，多由小型企业生产，内部成分变化较大，使其产品有质量不稳定，安全性、可靠性不理想，使用寿命短等缺点，为了提高受流器滑块的安全性、可靠性、耐磨性，提高使用寿命，降低运营成本，急需要提出一利利用浸金属碳材料制备地铁受流器滑块的方法。
发明内容
为适应地铁轨道施工领域的实际发展需求，本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为提出一种利用石墨烯浸金属碳材料制备地铁用受流器滑块的方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种利用石墨烯浸金属碳材料制备地铁用受流器滑块的方法，包括以下步骤：
S101、选用原料并进行配比：所述原料包括骨料和粉料，所述骨料包括沥青焦和煅后石油焦，所述粉料包括石墨烯、特种石墨粉和碳纤维，按重量百分含量计，所述原料中，煅后石油焦的重量比为60~65%，沥青焦的重量比为15～20%、特种石墨粉的重量比为15～20%、碳纤维的重量比为5~10%、石墨烯的重量比为3~5%；所述骨料选用的煅后石油焦的粒径质量配比为：0.33mm m≤粒径<0.45m的质量比为5～15wt%；0.10mm≤粒径<0.33mm 的质量比为15～25wt%；0.07mm≤粒径<0.10mm的质量比为25～30wt%；0<粒径<0.07mm的质量比为40～45wt%；所述骨料选用的沥青焦的粒径质量配比为：0.5mm＜粒径≤2mm的质量为55~60%；粒径≤0.5mm的质量比为40~45%；所述粉料选用的石墨烯的拉伸模量≤1.01TPa，极限强度≤116Gpa；
S102、混捏：配比完成后将原料放入混捏锅中进行干混，干混完成后加入粘结剂进行湿混得到糊料，加入的粘结剂与原料的质量比为25:75～30：70；
S103、轧片、磨粉、螺旋挤压成型：将糊料放置在轧片机中进行轧片，轧片晾干之后用雷蒙磨制成2mm颗粒后，通过管道送入螺旋挤压机预热缸内按最高180℃进行预热处理，之后螺旋挤压得到生坯制品；
S104、焙烧：将生坯制品在隔绝空气的条件下，在氮气电炉中进行热处理，得到焙烧品；
S105、浸金属：将焙烧品放入石墨槽中进行预热处理后装入密封浸渍罐中进行抽真空，当真空度为0.00Mpa时，向浸渍罐中注入高温铜水，并进行加压浸渍处理，得到浸金属碳材料；
S106、机械加工和粘结组装。
所述原料中，沥青焦的真密度≥2.0g/cm3、灰份＜0.5%、挥发份＜0.8%；煅后石油焦的真密度≥2.13g/cm3，灰分≤0.20%，挥发份≤0.25%，硫含量≤0.40%，石墨烯的拉伸模量≤1.01TPa，极限强度≤116Gpa；特种石墨粉的体积密度≥1.75g/cm3，电阻率≤6.0μΩm，抗折强度≥28Mpa，抗压强度≥32Mpa，气孔率≤12%，灰分≤0.10%，热膨胀系数≤2*10-6/℃；碳纤维体积密度≥1.85g/cm3。
所述骨料选用的煅后石油焦的粒径质量配比为：0.33mm m≤粒径<0.45m的质量比为5wt%；0.10mm≤粒径<0.33mm 的质量比为15wt%；0.07mm≤粒径<0.10mm的质量比为30wt%；0<粒径<0.07mm的质量比为40wt%；所述骨料选用的沥青焦的粒径质量配比为：0.5mm＜粒径≤2mm的质量为57%；粒径≤0.5mm的质量比为43%。
所述粉料中，特种石墨粉的粒径为0.5mm~1mm，碳纤维的粒径为0.1mm~0.5mm。
所述步骤S102的具体工艺为：配比完成后将原料放入混捏锅中进行干混，搅拌速率为45r/min，搅拌35min，温度为170℃；然后将加热到220℃的粘结剂通过沥青管道注入到混捏锅中与干混完成的原料进行充分搅拌，由此得到糊料；其中，加入的粘结剂为中温煤沥青，所述中温煤沥青的软化点为83-86℃，结焦值为≥58%,灰分≤0.25%，喹啉不溶物≤0.30%，加入的中温煤沥青与原料的质量比为：28: 72。
所述步骤S104中，热处理过程的具体步骤为：将生坯制品以升温速率1.1~2.1℃/h从150℃升温到550℃温度；然后以升温速率0.7~1.1℃/h从550℃升温到900℃；最后以升温速率1.1~1.5℃/h从900℃升温到1400℃，热处理过程的升温过程通过温度报警仪进行控制，所述温度报警仪的误差在5℃以内。
所述步骤S105中，预热温度为1300℃，预热时间为4h，所述加压浸渍处理的压力为0.5Mpa，加压浸渍处理的时间为5~10min，增重率为5~7%。
所述步骤S106具体工艺为：将得到的浸金属碳材料按需求进行机械加工后，在密封条件下在其四周均匀涂抹导电胶，然后将其与托架贴合在一起并用夹具固定后进行加热固化处理，所述加热固化处理的具体步骤为：将用夹具固定的浸金属碳材料与托架在常温下放入烘箱； 第一次调节烘箱温度至20℃-80℃，保温30分钟~70分钟； 第二次调节烘箱温度至80℃~130℃，保温20分钟~60分钟；第三次调节烘箱温度至130℃~150℃，保温180分钟，以使浸金属碳材料与托架结合成一体。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提出的一种利用石墨烯浸金属碳材料制备地铁用受流器滑块的方法，采用石墨烯、特种石墨粉和碳纤维为粉料生产碳材料，并在生产出的碳材料中加入铜质材料，显著提高了受流器滑块材料的导电性、导热性及摩擦、磨损性、耐腐蚀性等，本发明制备方法生产周期短，同时产品成品率有了大幅提高。
此外，本发明使用新技术工艺制备浸金属碳材料，即为将烧结碳材料初坯装入密封浸渍罐中经过抽真空，注入高温铜水，加压浸渍处理，得到浸金属碳材料，从而增加碳材料的体积密度，提高机械强度、耐腐蚀性和氧化性。
经过本发明的制备方法得到的地铁用受流器滑块，其体积密度≤3.0g/cm3，电阻率为≤12μΩ•m，抗折强度为≥70Mpa，肖氏硬度为≥70HS，耐磨性能≤15 mm/万km，对导线的磨损≤0.015mm2/万弓架次，具有非常好的的理化性能指标。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种利用石墨烯浸金属碳材料制备地铁用受流器滑块的方法，包括以下步骤：
1、选用原料并进行配比。
本发明实施例中，选用的原料包括骨料和粉料，所述骨料包括沥青焦和煅后石油焦，所述粉料包括石墨烯、特种石墨粉和碳纤维，按重量百分含量计，所述原料中，煅后石油焦的重量比为60~65%，沥青焦的重量比为15～20%、特种石墨粉的重量比为15～20%、碳纤维的重量比为5~10%、石墨烯的重量比为3~5%。
发明人经过多次实验，得到所述骨料优选选用的煅后石油焦的粒径质量配比为：0.33mm m≤粒径<0.45m的质量比为5～15wt%；0.10mm≤粒径<0.33mm 的质量比为15～25wt%；0.07mm≤粒径<0.10mm的质量比为25～30wt%；0<粒径<0.07mm的质量比为40～45wt%；所述骨料选用的沥青焦的粒径质量配比为：0.5mm＜粒径≤2mm的质量为55~60%；粒径≤0.5mm的质量比为40~45%；所述粉料选用的石墨烯的拉伸模量≤1.01TPa，极限强度≤116Gpa。
优选地，所述骨料选用的煅后石油焦所述骨料选用的煅后石油焦的粒径质量配比为：0.33mm m≤粒径<0.45m的质量比为5wt%；0.10mm≤粒径<0.33mm的质量比为15wt%；0.07mm≤粒径<0.10mm的质量比为30wt%；0<粒径<0.07mm的质量比为40wt%；所述骨料选用的沥青焦的粒径质量配比为：0.5mm＜粒径≤2mm的质量为57%；粒径≤0.5mm的质量比为43%。
优选地，所述粉料中，特种石墨粉的粒径为0.5mm~1mm，碳纤维的粒径为0.1mm~0.5mm。
此外，所述原料中，选用的沥青焦的真密度≥2.0g/cm3、灰份＜0.5%、挥发份＜0.8%；煅后石油焦的真密度≥2.13g/cm3，灰分≤0.20%，挥发份≤0.25%，硫含量≤0.40%，石墨烯的拉伸模量≤1.01TPa，极限强度≤116Gpa；特种石墨粉的体积密度≥1.75g/cm3，电阻率≤6.0μΩm，抗折强度≥28Mpa，抗压强度≥32Mpa，气孔率≤12%，灰分≤0.10%，热膨胀系数≤2*10-6/℃；碳纤维体积密度≥1.85g/cm3。
此外，本发明实施例中，选用原料并进行配比的步骤还可以包括对选用的块料煅后石油焦和沥青焦进行破碎、磨粉、筛分和按上述粒径质量比进行配比的步骤。
2、混捏。
本发明实施例中，混捏为干混和湿混，配比完成后的原料首先放入混捏锅中进行干混，搅拌速率为45r/min，搅拌35min，温度为170℃；然后将加热到220℃的粘结剂通过沥青管道注入到混捏锅中与干混完成的原料进行充分搅拌，由此得到糊料，这是湿混；其中，加入的粘结剂与原料的质量比为25:75～30：70。
优选地，加入的粘结剂为中温煤沥青，湿混加入的中温煤沥青与原料的质量比为28: 72。所述中温煤沥青的软化点为83-86℃，结焦值为≥58%,灰分≤0.25%，喹啉不溶物≤0.30%。
3、轧片、磨粉、螺旋挤压成型。
将糊料放置在轧片机中进行轧片，轧片晾干之后用雷蒙磨制成2mm颗粒后，通过管道送入螺旋挤压机预热缸内按最高180℃进行预热处理，之后螺旋挤压得到生坯制品，所述的生坯制品体积密度≥1.77g/cm3。
4、焙烧。
将生坯制品在隔绝空气的条件下，在氮气电炉中进行热处理，得到焙烧品；
其中，热处理过程的具体步骤为：将生坯制品以升温速率1.1~2.1℃/h从150℃升温到550℃温度；然后以升温速率0.7~1.1℃/h从550℃升温到900℃；最后以升温速率1.1~1.5℃/h从900℃升温到1400℃，热处理过程的升温过程通过温度报警仪进行控制，所述温度报警仪的误差在5℃以内，以保证产品内外结构没有裂纹。
5、浸金属。
浸金属是将焙烧得到的碳材料初坯放入石墨槽中进行预热处理，其中，预热温度为1300℃，预热时间为4h；预热完成后将碳材料初坯装入密封浸渍罐中，将浸渍罐抽真空，当真空度为0.00Mpa时，向浸渍罐中注入高温铜水，接着向浸渍罐加压，进行加压浸渍处理，得到浸渍碳材料，其中，所述加压浸渍处理的压力为0.5Mpa，加压浸渍处理的时间为5~10min，其增重率为5~7%。
6、机械加工和粘结组装。
将得到的浸金属碳材料按需求（例如按客户型号接口图）进行机械加工后，在密封条件下在其四周均匀涂抹导电胶，然后将其与托架贴合在一起并用夹具固定后进行加热固化处理，所述加热固化处理的具体步骤可以为：将用夹具固定的浸金属碳材料与托架在常温下放入烘箱； 第一次调节烘箱温度至20℃~80℃，保温30分钟~70分钟； 第二次调节烘箱温度至80℃~130℃，保温20分钟~60分钟；第三次调节烘箱温度至130℃~150℃，保温180分钟，以使浸金属碳材料与托架结合成一体。
经过上述工艺技术得到的地铁用受流器滑块，其体积密度≤3.0g/cm3，电阻率为≤12μΩ·m，抗折强度为≥70Mpa，肖氏硬度为≥70HS，耐磨性能≤15 mm/万km，对导线的磨损≤0.015mm2/万弓架次，具有非常好的的理化性能指标。
上面对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.利用石墨烯浸金属碳材料制备地铁用受流器滑块的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101、选用原料并进行配比，所述原料包括骨料和粉料，所述骨料包括沥青焦和煅后石油焦，所述粉料包括石墨烯、特种石墨粉和碳纤维，按重量百分含量计，所述原料中，煅后石油焦的重量比为60~65%，沥青焦的重量比为15～20%、特种石墨粉的重量比为15～20%、碳纤维的重量比为5~10%、石墨烯的重量比为3~5%；所述骨料选用的煅后石油焦的粒径质量配比为：0.33mm m≤粒径<0.45m的质量比为5～15wt%；0.10mm≤粒径<0.33mm 的质量比为15～25wt%；0.07mm≤粒径<0.10mm的质量比为25～30wt%；0<粒径<0.07mm的质量比为40～45wt%；所述骨料选用的沥青焦的粒径质量配比为：0.5mm＜粒径≤2mm的质量为55~60%；粒径≤0.5mm的质量比为40~45%；所述粉料选用的石墨烯的拉伸模量≤1.01TPa，极限强度≤116Gpa；
S102、混捏：配比完成后将原料放入混捏锅中进行干混，干混完成后加入粘结剂进行湿混得到糊料，加入的粘结剂与原料的质量比为25:75～30：70；
S103、轧片、磨粉、螺旋挤压成型：将糊料放置在轧片机中进行轧片，轧片晾干之后用雷蒙磨制成2mm颗粒后，通过管道送入螺旋挤压机预热缸内按最高180℃进行预热处理，之后螺旋挤压得到生坯制品；
S104、焙烧：将生坯制品在隔绝空气的条件下，在氮气电炉中进行热处理，得到焙烧品；
S105、浸金属：将焙烧品放入石墨槽中进行预热处理后装入密封浸渍罐中进行抽真空，当真空度为0.00Mpa时，向浸渍罐中注入高温铜水，并进行加压浸渍处理，得到浸金属碳材料；
S106、机械加工和粘结组装。
2.根据权利要求1所述的一种利用石墨烯浸金属碳材料制备地铁用受流器滑块的方法，其特征在于，所述原料中，沥青焦的真密度≥2.0g/cm3、灰份＜0.5%、挥发份＜0.8%；煅后石油焦的真密度≥2.13g/cm3，灰分≤0.20%，挥发份≤0.25%，硫含量≤0.40%，石墨烯的拉伸模量≤1.01TPa，极限强度≤116Gpa；特种石墨粉的体积密度≥1.75g/cm3，电阻率≤6.0μΩm，抗折强度≥28Mpa，抗压强度≥32Mpa，气孔率≤12%，灰分≤0.10%，热膨胀系数≤2*10-6/℃；碳纤维体积密度≥1.85g/cm3。
3.根据权利要求1所述的一种利用石墨烯浸金属碳材料制备地铁用受流器滑块的方法，其特征在于，所述骨料选用的煅后石油焦的粒径质量配比为：0.33mm m≤粒径<0.45m的质量比为5wt%；0.10mm≤粒径<0.33mm 的质量比为15wt%；0.07mm≤粒径<0.10mm的质量比为30wt%；0<粒径<0.07mm的质量比为40wt%；所述骨料选用的沥青焦的粒径质量配比为：0.5mm＜粒径≤2mm的质量为57%；粒径≤0.15mm的质量比为43%。
4.根据权利要求1所述的一种利用石墨烯浸金属碳材料制备地铁用受流器滑块的方法，其特征在于，所述粉料中，特种石墨粉的粒径为0.5mm~1mm，碳纤维的粒径为0.1mm~0.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种利用石墨烯浸金属碳材料制备地铁用受流器滑块的方法，其特征在于，所述步骤S102的具体工艺为：配比完成后将原料放入混捏锅中进行干混，搅拌速率为45r/min，搅拌35min，温度为170℃；然后将加热到220℃的粘结剂通过沥青管道注入到混捏锅中与干混完成的原料进行充分搅拌，由此得到糊料；其中，加入的粘结剂为中温煤沥青，所述中温煤沥青的软化点为83-86℃，结焦值为≥58%,灰分≤0.25%，喹啉不溶物≤0.30%，加入的中温煤沥青与原料的质量比为：28: 72。
6.根据权利要求1所述的一种利用石墨烯浸金属碳材料制备地铁用受流器滑块的方法，其特征在于，所述步骤S104中，热处理过程的具体步骤为：将生坯制品以升温速率1.1~2.1℃/h从150℃升温到550℃温度；然后以升温速率0.7~1.1℃/h从550℃升温到900℃；最后以升温速率1.1~1.5℃/h从900℃升温到1400℃，热处理过程的升温过程通过温度报警仪进行控制，所述温度报警仪的误差在5℃以内。
7.根据权利要求1所述的一种利用石墨烯浸金属碳材料制备地铁用受流器滑块的方法，其特征在于，所述步骤S105中，预热温度为1300℃，预热时间为4h，所述加压浸渍处理的压力为0.5Mpa，加压浸渍处理的时间为5~10min，增重率为5~7%。
8.根据权利要求1所述的一种利用石墨烯浸金属碳材料制备地铁用受流器滑块的方法，其特征在于，所述步骤S106具体工艺为：将得到的浸金属碳材料按需求进行机械加工后，在密封条件下在其四周均匀涂抹导电胶，然后将其与托架贴合在一起并用夹具固定后进行加热固化处理，所述加热固化处理的具体步骤为：将用夹具固定的浸金属碳材料与托架在常温下放入烘箱； 第一次调节烘箱温度至20℃-80℃，保温30分钟~70分钟； 第二次调节烘箱温度至80℃~130℃，保温20分钟~60分钟；第三次调节烘箱温度至130℃~150℃，保温180分钟，以使浸金属碳材料与托架结合成一体。
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