CN108117391B - 一种电力机车受电弓复合滑板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力机车受电弓复合滑板的制备方法，步骤为：（1）将碳化硅粉、沥青焦粉和石墨粉混匀后，再加入熔化的高温沥青，在130~150℃下混合均匀，随后冷却，将冷却的混合物磨粉至粒度为350~400目的粉末；其中，碳化硅粉、沥青焦粉、石墨粉、高温沥青的重量份分别为5~15份、50‑60份、5‑10份、25‑30份；（2）将分散均匀的还原氧化石墨烯分散液经喷雾干燥均匀分散于步骤（1）得到的粉末上；（3）将步骤（2）中的粉末预干燥后，置于150~160℃固化，将固化后的粉末通过螺旋挤压机，挤出所需规格的碳滑板毛坯，碳滑板毛坯经焙烧后出炉，即得到所述的复合滑板。本发明制备方法工艺简短，产品性能优异，自润滑性好且不伤导线，生产设备简单，适合于规模化生产。
Description
技术领域
本发明属于电力机车受电弓滑板领域，具体涉及一种电力机车受电弓复合滑板的制备方法。
技术背景
受电弓滑板是接触网系统中的关键零件，被安装在受电弓的顶部，与接触网导线直接接触为电力机车获取电能受电弓滑板工作时由于其独特的工作原理和恶劣的工作环境，对选材有着十分苛刻的要求，受电弓滑板一般需要满足以下要求：导电性能好、抗电弧烧伤性能好、减摩耐磨性高、环境适应性好等。滑板与导线的载流摩擦磨损问题，既与相互配伍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。
受电弓滑板材料研究主要经历了纯金属滑板、纯碳滑板、浸金属碳滑板、金属基或非金属基复合材料滑板几个阶段。但是都有各自的问题，纯金属滑板对接触网导线磨耗严重；纯碳滑板电阻低，自润滑性能和减磨性能好，对接触网导线磨损小，且耐腐蚀、耐高温，但是机械强度低，耐冲击性能差，尤其是遇到较硬的导线是，容易造成滑板折断和破裂；浸金属碳滑板抗冲击力不足，易出现掉块现象，对导线磨损比较严重；利用复合材料制备碳滑板具有极大的优势，尤其是铜基复合材料滑板，但是此类滑板也存在强度低、耐磨性差等问题。
随着铁路电气化和高速化的不断发展，对滑板材料的要求不断地提高，单纯地使用一种碳材已经不能满足当前的要求，急需研制开发新型滑板。碳纳米管、石墨烯等碳系材料的推广与应用，为受电弓用多元碳系复合材料的研究提供了支持和引导。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种抗折强度高，导电性强、耐磨且不伤导线、使用寿命长的电力机车受电弓复合碳滑板的生产方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电力机车受电弓复合滑板的制备方法，包括如下步骤：
（1）将碳化硅粉、沥青焦粉和石墨粉混合均匀后，再加入熔化的高温沥青，在130~150℃下混合均匀，随后冷却，将冷却后的混合物磨粉至粒度为350~400目的粉末；其中，碳化硅粉、沥青焦粉、石墨粉、高温沥青的重量份分别为5~15份、50-60份、5-10份、25-30份；
（2）将分散均匀的还原氧化石墨烯分散液经喷雾干燥均匀分散于步骤（1）得到的粉末上；
（3）将步骤（2）中的粉末预干燥后，置于150~160℃固化，将固化后的粉末通过螺旋挤压机，挤出所需规格的碳滑板毛坯，所述碳滑板毛坯经焙烧后出炉，即得到所述的复合滑板。
在上述步骤（1）中粉末粒度会直接影响复合滑板的密度，进而影响复合滑板的力学性能，如肖氏硬度、抗折强度、抗压强度等。碳化硅粉的重量份可优选为12~15，沥青焦粉的重量份可优选为50~55，石墨粉的重量份可优选为5~8，高温沥青的重量份可优选为28~30。混合温度可优选为140-145℃。
步骤（2）中还原氧化石墨烯分散液为水溶液，可以自制，也可以购买，只要保证石墨烯分散均匀即可。石墨烯密度小，不易分散，将石墨烯分散于水中，可以增加石墨烯粉末的密度，便于分散，采用喷雾干燥的方式可以使石墨烯更加均匀的分散在粉末上。还原氧化石墨烯分散液的均匀加入，可提高滑板综合性能，如复合滑板的导热率高，自润滑性好，耐磨性好，力学性能好等。
步骤（3）中预干燥可使还原氧化石墨烯分散液中的水分挥发，使石墨烯紧密附着在粉料上。固化则进一步加强了石墨烯和粉料之间的结合。
作为优选，所述碳化硅粉、沥青焦粉、石墨粉的粒度分别为150~200目、100~200目、200~300目。粒度大小会影响复合滑板密度，不同粒度的物料混合使颗粒堆积更紧密，密度更高，复合滑板力学性能更强。
作为优选，步骤（1）中混合物在130~150℃混合1~3h。
作为优选，步骤（2）中还原氧化石墨烯分散液的质量分数为3~7%。还原氧化石墨烯比表面积大，用量太多，会在粉末表面附着的过多过厚，与粉料的接触面反而会减小，本发明发中控制还原氧化石墨烯的加入量对复合滑板的性能影响尤为关键。
作为优选，步骤（3）中预干燥温度为60~80℃，时间为1~2h。预干燥温度太高，水分蒸发过快，会使石墨烯不能紧密的附着在粉末上。
作为优选，步骤（3）中固化时间为5~6h。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明选用的组分中，碳化硅粉作为复合滑板骨料，可提高抗折强度、抗压强度和耐磨性；高温沥青、沥青焦粉是作为粘结剂，将其他不同粒径的粉料粘结在一起，防止滑板的掉块；石墨的自身润滑性能很好，可增强复合滑板的自润滑性能和导电性。还原氧化石墨烯分散液的均匀加入，可提高滑板综合性能，如导热率、自润滑性、耐磨性和力学性能。本发明通过各组分的合理配伍，较好的改善了复合滑板的综合性能。
（2）本发明采用喷雾干燥法将石墨烯分散液均匀分散于粉料上，解决了石墨烯和粉料无法均匀混合的应用难题，再通过固化让石墨烯与粉料发生交联，通过螺旋挤压将石墨烯均匀分散在粉料中，形成三维的导电网络，使石墨烯在复合滑板中发挥其优异耐磨性、自润滑性和力学性能。
（3）本发明制备方法工艺简短，产品性能优异，自润滑性好且不伤导线，生产设备简单，适合于规模化生产和应用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例中，复合滑板的制备方法如下：
按如下质量份备料：碳化硅粉5份、沥青焦粉60份、石墨粉10份，高温沥青25份，将碳化硅粉、沥青焦粉、石墨粉混合均匀后，再加入熔化的高温沥青，在135℃下混合均匀2h，随后冷却，将冷却后的混合物磨粉至粒度为350目的粉末；将分散均匀的还原氧化石墨烯水分散液（质量分数3%）经喷雾干燥均匀分散于上述混合粉末上，然后将粉末置于60℃预干燥2h后，再置于150℃温度下使复合粉料固化5h，将固化后的粉末通过螺旋挤压机，挤出所需规格的碳滑板毛坯，所述碳滑板毛坯经焙烧后出炉，即得到所述的复合滑板。
实施例2：
本实施例中，复合滑板的制备方法如下：
按如下质量份备料：碳化硅粉12份、沥青焦粉55份、石墨粉8份，高温沥青25份，将碳化硅粉、沥青焦粉、石墨粉混合均匀后，再加入熔化的高温沥青，在140℃下混合均匀2h，随后冷却，将冷却后的混合物磨粉至粒度为400目的粉末；将分散均匀的还原氧化石墨烯水分散液（质量分数5%）经喷雾干燥均匀分散于上述混合粉末上，然后将粉末置于65℃预干燥1h后，再置于150℃温度下使复合粉料固化5h，将固化后的粉末通过螺旋挤压机，挤出所需规格的碳滑板毛坯，所述碳滑板毛坯经焙烧后出炉，即得到所述的复合滑板。
实施例3：
本实施例中，复合滑板的制备方法如下：
按如下质量份备料：碳化硅粉15份、沥青焦粉50份、石墨粉5份，高温沥青30份，将碳化硅粉、沥青焦粉、石墨粉混合均匀后，再加入熔化的高温沥青，在150℃下混合均匀1.5h，随后冷却，将冷却后的混合物磨粉至粒度为350目的粉末；将分散均匀的还原氧化石墨烯水分散液（质量分数6%）经喷雾干燥均匀分散于上述混合粉末上，然后将粉末置于80℃预干燥1h后，再置于150℃温度下使复合粉料固化6h，将固化后的粉末通过螺旋挤压机，挤出所需规格的碳滑板毛坯，所述碳滑板毛坯经焙烧后出炉，即得到所述的复合滑板。
实施例4：
本实施例中，复合滑板的制备方法如下：
按如下质量份备料：碳化硅粉10份、沥青焦粉60份、石墨粉5份，高温沥青25份，将碳化硅粉、沥青焦粉、石墨粉混合均匀后，再加入熔化的高温沥青，在140℃下混合均匀2h，随后冷却，将冷却后的混合物磨粉至粒度为400目的粉末；将分散均匀的还原氧化石墨烯水分散液（质量分数4%）经喷雾干燥均匀分散于上述混合粉末，然后将粉末置于75℃预干燥2h后，再置于155℃温度下使复合粉料固化6h，将固化后的粉末通过螺旋挤压机，挤出所需规格的碳滑板毛坯，所述碳滑板毛坯经焙烧后出炉，即得到所述的复合滑板。
实施例5：
本实施例中，复合滑板的制备方法如下：
按如下质量份备料：碳化硅粉8份、沥青焦粉60份、石墨粉7份，高温沥青25份，将碳化硅粉、沥青焦粉、石墨粉混合均匀后，再加入熔化的高温沥青，在145℃下混合均匀3h，随后冷却，将冷却后的混合物磨粉至粒度为350目的粉末；将分散均匀的还原氧化石墨烯水分散液（质量分数7%）经喷雾干燥均匀分散于上述混合粉末，然后将粉末置于80℃预干燥1h后，再置于160℃温度下使复合粉料固化6h，将固化后的粉末通过螺旋挤压机，挤出所需规格的碳滑板毛坯，所述碳滑板毛坯经焙烧后出炉，即得到所述的复合滑板。
表1 实施例1~5制备的复合滑板的性能
| 样品 | 体积密度（g/cm<sup>3</sup>） | 电阻率（μΩM） | 肖氏硬度（HS） | 抗折强度（MPa） | 抗压强度（MPa） |
| 实施例1 | 2.4 | 6 | 0.1 | 79 | 190 |
| 实施例2 | 2.8 | 5.3 | 0.1 | 87 | 195 |
| 实施例3 | 2.7 | 6.2 | 0.1 | 89 | 202 |
| 实施例4 | 2.5 | 4.5 | 0.1 | 83 | 196 |
| 实施例5 | 2.7 | 5 | 0.1 | 80 | 200 |
表1列出了实施例1~5制备的受电弓复合滑板的相关性能，由表可看出，本发明制备的复合滑板，碳化硅作为滑板的骨料，大幅度提高滑板的力学性能。还原氧化石墨烯的加入降低电阻率，提高滑板的力学性能和自润滑性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种电力机车受电弓复合滑板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将碳化硅粉、沥青焦粉和石墨粉混合均匀后，再加入熔化的高温沥青，在130~150℃混合均匀，随后冷却，将冷却后的混合物磨粉至粒度为350~400目的粉末；其中，碳化硅粉、沥青焦粉、石墨粉、高温沥青的重量份分别为5~15份、50-60份、5-10份、25-30份；
（2）将分散均匀的还原氧化石墨烯分散液经喷雾干燥均匀分散于步骤（1）得到的粉末上；其中，所述还原氧化石墨烯分散液的质量分数为3~7%；
（3）将步骤（2）中的粉末预干燥后，置于150~160℃固化，将固化后的粉末通过螺旋挤压机，挤出所需规格的碳滑板毛坯，所述碳滑板毛坯经焙烧后出炉，即得到所述的复合滑板；其中，所述预干燥温度为60~80℃，时间为1~2h。
2.根据权利要求1所述的电力机车受电弓复合滑板的制备方法，其特征在于，所述碳化硅粉、沥青焦粉、石墨粉的粒度分别为150~200目、100~200目、200~300目。
3.根据权利要求1所述的电力机车受电弓复合滑板的制备方法，其特征在于，步骤（1）中混合物在130~150℃混合1~3h。
4.根据权利要求1所述的电力机车受电弓复合滑板的制备方法，其特征在于，步骤（3）中固化时间为5~6h。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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