CN109422535B - 碳滑板及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及导电摩擦材料领域，公开了一种碳滑板及其制备方法和应用，其中，本发明公开的一种碳滑板，其中，所述碳滑板由生坯炭化后浸渍于树脂中制得，所述生坯含有碳素原料、MoS2、金属和/或铜合金粉末以及粘结剂；所述碳素原料含有人造石墨粉、石油焦炭粉和炭黑中的一种或多种；所述粘结剂为树脂组合物。本发明的碳滑板具有更低的接触电阻，更佳的力学性能，以及更优的耐电弧烧蚀性能。

Description

碳滑板及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及导电摩擦材料领域，具体涉及一种碳滑板及其制备方法和应用。
背景技术
申请号93111950.2(CN1032741C)公开了一种电力机车受电弓滑板及其制造方法，包括碳素基体碳条的制造，对碳条用熔融铜合金的浸渍，以及对浸渍碳条进行机械加工成成品，其特征是在碳素基体碳条的制造配方中添加重量比为10％以下的Fe2O3粉，熔融铜合金中添加重量比7-10％的锡(Sn)、1-2％的Si和1-2％的Ni的电力机车受电弓滑板的制造方法及其产品。其碳素材料部分，原材料为65-75％的生沥青焦炭粉、5-10％的隐晶石墨粉、5-10％的槽法碳黑和10％以下的Fe2O3。其铜合金组成为Pb15-20％、Sn8-10％、Si和Ni均为1-2％，余量为Cu。上述技术是在CuPb合金的基础上进行的优化。CuPb合金的应用目的是Pb做为软金属，在碳滑板动态取电过程中起到减磨作用；上述技术其突出点在CuPb合金中添加Si和Ni两种元素，以防止合金中Pb的偏析。其缺点包括：1、性能各项异性(特别是挤出成型时，颗粒会沿挤出方向取向，则该方向的电阻低，与其垂直的方向则电阻高)；2、坯体成型阶段难以制成最终产品结构，后续需要机械加工；3、浸渗工序对设备要求高；4、合金中使用了大量的铅，15-20％。据标准GB 7355-1987大气中铅及其无机化合物的卫生标准，居住区大气中铅及其无机化合物(换算成铅)的日平均最高容许浓度为0.0015mg/m3。所以使用铜铅合金时，需要重点考虑铅尘的防护和处理。
专利申请CN104608641A(申请号201410788801.9)公开了一种电力机车用炭/炭-石墨/铜受电弓滑板的制备方法，该方法为：一、采用炭纤维针刺体或者是炭纤维编织体作为预制体材料；二、化学气相沉积致密；三、将树脂与石墨粉、铜粉按一定的比例混合、搅拌均匀；四、树脂混合物浸渍、固化、炭化处理；五、高温石墨化处理；六、树脂混合物浸渍、固化、炭化处理；七、机械加工后，制得电力机车用炭/炭-石墨/铜受电弓滑板。步骤三中所述的树脂包括酚醛树脂、环氧树脂和糠酮树脂。
专利申请CN105730246A(申请号201610169328.5)公开了一种低粘结电阻的C/C复合材料滑板，其中，包括C/C复合材料层、第一金属网层、金属托架；所述C/C复合材料层由上层结构和下层结构组成，所述下层结构内均匀镶嵌有金属网，所述第一金属网层位于C/C复合材料层的下层结构与金属托架之间，并与C/C复合材料层、金属托架构成一个整体。在其制备方法步骤一中，碳纤维预制体经化学气相沉积热解碳和树脂浸渍-炭化处理，得到平均密度为1.8-2.3g/cm3的C/C复合材料。
专利申请CN104926347B(申请号201510298290.7)公开了一种高速铁路动车组用受电弓滑板复合材料的制备方法，步骤如下：按比例称量原料，短切碳纤维30～60％、酚醛树脂粉20～30％、沥青焦粉10～20％、鳞片石墨粉10～20％、铜粉1～10％，所称量原料混合均匀后倒入模压机模具中压制成型，坯体先后放入马弗炉中进行预氧化处理、放入碳化炉中进行碳化处理、放入等温化学气相沉积炉中进行致密化处理、放入高温石墨化处理炉中进行石墨化处理，即得到受电弓滑板用复合材料，将所得复合材料进行加工得到碳-碳复合材料受电弓滑板。
专利申请CN1061960C(申请号CN97106647.7)公开了一种集电用碳纤维增强复合材料，其中，作为增强剂的短碳纤维1-25％，作为粘结剂的热固性树脂3-25％，其余为作为基体材料的铜含量为20-80％的镀铜碳粉末。
专利申请CN101165819A(申请号200710121765.0)公开了一种轨道车辆用碳基滑块材料及其制备工艺，其包括以下步骤：(1)原材料预处理：将石墨、焦炭粉、短切碳纤维及改性剂(二硫化钼、氧化铝和玻璃粉的混合物)置于干燥箱内，除去其水分；先将石墨、焦炭粉和短切碳纤维混合均匀，再依次添加铜粉、铜线为和改性剂，最后添加酚醛树脂制成模压料，其中，致密化处理：主要有两种方式，一种是化学气相沉积，另一种是沥青浸渍后再炭化处理。
专利申请CN104550868B(申请号201510018265.9)公开了一种受电弓浸金属碳滑板的真空压力浸渗的方法，其中，使用的铜基体为铜合金，添加元素为添加0.6-1重量％的Cr或0.8-1.2重量％的Ti。
专利申请DE9311836公开干燥的材料选自石墨的润滑特性，氟化石墨，二硫化钼。
综上，上述公开的背景技术中，在制备碳滑板的方法中，所采用的工艺复杂，由于工艺方法等其它条件的影响，使得所制备的碳滑板力学性能、导电性能以及耐电弧烧蚀性能不好。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供了一种碳滑板及其制备方法和应用。本发明提供的碳滑板具有更低的接触电阻，更佳的力学性能，以及更优的耐电弧烧蚀性能；以及本发明提供的碳滑板能够在电力机车(高铁、地铁、轻轨、单轨)取电系统中的受电弓或者集电靴方面上的应用。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种碳滑板，其中，所述碳滑板由生坯炭化后浸渍于树脂中制得，所述生坯含有碳素原料、MoS2、金属和/或铜合金粉末以及粘结剂；所述碳素原料含有人造石墨粉、石油焦炭粉和炭黑中的一种或多种；所述粘结剂为树脂组合物；
优选地，所述金属为铁和/或铜；
更优选地，所述金属为铜。
优选地，以所述生坯的总重量为基准，所述人造石墨粉的含量为11-63.9重量％，所述石油焦炭粉的含量为2-20重量％，所述炭黑的含量为2-8重量％，所述MoS2的含量为0.1-1重量％，所述金属和/或铜合金粉末的含量为22-40重量％，所述粘结剂的含量为10-20重量％。
优选地，以所述生坯的总重量为基准，所述人造石墨粉的含量为19.3-49.3重量％，所述石油焦炭粉的含量为10-20重量％，所述炭黑的含量为2.2-5重量％，所述MoS2的含量为0.2-0.7重量％，所述金属和/或铜合金粉末的含量为25-35重量％，所述粘结剂的含量为13-20重量％。
优选地，所述铜合金粉末为CuCr合金粉末。
优选地，所述树脂组合物为不饱和聚酯树脂组合物或环氧树脂组合物。
进一步优选地，所述不饱和聚酯树脂组合物含有不饱和聚酯树脂、添加剂、硬脂酸锌、碳素原料、MoS2、苯乙烯、引发剂和活性氧化镁，且以100重量份的不饱和聚酯树脂为基准，所述添加剂的含量为7.7-54重量份，所述硬脂酸锌的含量为3-8重量份，所述碳素原料的含量为385-462重量份，所述MoS2的含量为3-8重量份，所述苯乙烯的含量为7-8.5重量份，所述引发剂的含量为1.5-3.85重量份，所述活性氧化镁的含量为1.5-4.6重量份；
优选地，所述环氧树脂组合物含有环氧树脂、硬脂酸锌、碳素原料、MoS2、固化剂和增稠剂，且以100重量份的环氧树脂为基准，所述硬脂酸锌的含量为2-5重量份，所述碳素原料的含量为250-300重量份，所述MoS2的含量为1.5-3.5，所述固化剂的含量为5-15，所述增稠剂的含量为13-32重量份。
优选地，所述树脂为沥青、酚醛树脂、环氧树脂和不饱和聚酯树脂中的一种或多种，所述环氧树脂为酚醛环氧树脂；优选地，所述树脂为沥青和/或酚醛树脂；更优选地，所述树脂为沥青。
优选地，所述人造石墨粉的粒径为40-50μm，所述石油焦炭粉的粒径为5-15μm，所述炭黑的粒径为10-100nm。
优选地，所述碳素坯体的体积密度为2.2-2.5g/cm3。
第二方面，本发明提供了一种碳滑板的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：
(1)将碳素原料、MoS2、金属和/或铜合金粉末以及粘结剂捏合，模压成型和/或挤出成型，制得生坯；
(2)将所述生坯炭化制得初坯；
(3)将所述初坯浸渍于树脂中，制得碳素坯体；
其中，所述碳素原料含有人造石墨粉、石油焦炭粉和炭黑中的一种或多种；所述粘结剂为树脂组合物；
优选地，所述金属为铁和/或铜；
更优选地，所述金属为铜。
优选地，以所述生坯的总重量为基准，所述人造石墨粉的用量为11-63.9重量％，所述石油焦炭粉的用量为2-20重量％，所述炭黑的用量为2-8重量％，所述MoS2的用量为0.1-1重量％，所述金属和/或铜合金粉末的用量为22-40重量％，所述粘结剂的用量为10-20重量％。
优选地，以所述生坯的总重量为基准，所述人造石墨粉的用量为19.3-49.3重量％，所述石油焦炭粉的用量为10-20重量％，所述炭黑的用量为2.2-5重量％，所述MoS2的用量为0.2-0.7重量％，所述金属和/或铜合金粉末的用量为25-35重量％，所述粘结剂的用量为13-20重量％。
优选地，所述铜合金粉末为CuCr合金粉末。
优选地，所述树脂组合物为不饱和聚酯树脂组合物或环氧树脂组合物。
优选地，所述不饱和聚酯树脂组合物含有不饱和聚酯树脂、添加剂、硬脂酸锌、碳素原料、MoS2、苯乙烯、引发剂和活性氧化镁，且以100重量份的不饱和聚酯树脂为基准，所述添加剂的用量为7.7-54重量份，所述硬脂酸锌的用量为3-8重量份，所述碳素原料的用量为385-462重量份，所述MoS2的用量为3-8重量份，所述苯乙烯的用量为7-8.5重量份，所述引发剂的用量为1.5-3.85重量份，所述活性氧化镁的用量为1.5-4.6重量份；
优选地，所述环氧树脂组合物含有环氧树脂、硬脂酸锌、碳素原料、MoS2、固化剂和增稠剂，且以100重量份的环氧树脂为基准，所述硬脂酸锌的用量为2-5重量份，所述碳素原料的用量为250-300重量份，所述MoS2的用量为1.5-3.5，所述固化剂的用量为5-15，所述增稠剂的用量为13-32重量份。
优选地，所述树脂为沥青、酚醛树脂、环氧树脂和不饱和聚酯树脂中的一种或多种，所述环氧树脂为酚醛环氧树脂；优选地，所述树脂为沥青和/或酚醛树脂；更优选地，所述树脂为沥青。
优选地，所述人造石墨粉的粒径为40-50μm，所述石油焦炭粉的粒径为5-15μm，所述炭黑的粒径为10-100nm。
优选地，在步骤(1)中，所述捏合的条件包括：温度可以为室温，例如，温度可以为15-35℃；所述模压成型的条件包括：温度为100-150℃，时间为0.1-0.5小时。
在步骤(2)中，所述炭化的条件包括：升温速度为0.1-0.5℃/min，温度为1000-1300℃，时间为1-3小时；以及
在步骤(3)中，所述浸渍树脂的条件包括：温度为150-200℃。
优选地，所述碳素坯体的体积密度为2.2-2.5g/cm3。
第三方面，本发明提供了上述所述的碳滑板或由上述所述的制备方法制备的碳滑板在电力机车取电系统中的受电弓或者集电靴方面上的应用。
本发明以人造石墨粉为主体，配入石油焦炭粉、炭黑、MoS2和粘结剂做为碳素坯体的主要成分，相比于现有技术，石油焦炭粉虽然可以提高耐磨性，但其杂质多，耐烧耐热性能低，而人造石墨相对于其它碳素材料，其热分解温度更高、导热系数更高，这些属性将提升碳滑板的耐电弧烧蚀性能；同时人造石墨的自润滑性会减少碳滑板对导线或导电轨的磨损。另外，选用铜和/或CuCr合金粉末，金属和/或金属合金以粉料形式添加，这些金属粉体在烧结过程中连接成网络(或者局部形成网络)，能够提升碳滑板强度，从而减少了压力浸渗设备；另外，所述粘结剂为树脂组合物，树脂组合物具备两种反应：1、增稠反应：可确保模压过程中成分的均匀性；2、固化反应：可确保树脂带动填料填充模具后固化，达到足够强度。还有，由于采用特殊的树脂组合物，一次成型，无需后续机加工；而且无需浸渗设备，工艺过程简单环保。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
为了实现本发明的目的，第一方面，本发明提供了一种碳滑板，其中，所述碳滑板可以由生坯炭化后浸渍于树脂中制得，所述生坯可以含有碳素原料、MoS2、金属和/或铜合金粉末以及粘结剂；所述碳素原料可以含有人造石墨粉、石油焦炭粉和炭黑中的一种或多种；所述粘结剂可以为树脂组合物；
优选地，所述金属为铁和/或铜；
更优选地，所述金属为铜。
根据本发明，以所述生坯的总重量为基准，所述人造石墨粉的含量可以为11-63.9重量％，所述石油焦炭粉的含量可以为2-20重量％，所述炭黑的含量可以为2-8重量％，所述MoS2的含量可以为0.1-1重量％，所述金属和/或铜合金粉末的含量可以为22-40重量％，所述粘结剂的含量可以为10-20重量％。在本发明中，尽管限定了生坯的成分以及成分含量为上述范围之内即可实现本发明的目的，但是，优选情况下，以所述生坯的总重量为基准，所述人造石墨粉的含量为19.3-49.3重量％，所述石油焦炭粉的含量为10-20重量％，所述炭黑的含量为2.2-5重量％，所述MoS2的含量为0.2-0.7重量％，所述金属和/或铜合金粉末的含量为25-35重量％，所述粘结剂的含量为13-20重量％时，效果更好。
根据本发明，所述铜合金粉末为CuCr合金粉末；在本发明中，所述CuCr合金可以通过商购得到，例如，可以购自石家庄兆昱金属材料有限公司，200目，在该CuCr合金中Cr的含量为0.5-5重量％。在本发明中，所述碳素坯体中含有微量的Cr，能够提升CuCr合金对碳素坯体的润湿性。
根据本发明，所述树脂可以为沥青、酚醛树脂、环氧树脂和不饱和聚酯树脂中的一种或多种，所述环氧树脂可以为酚醛环氧树脂；优选地，所述树脂为沥青和/或酚醛树脂；更优选地，所述树脂为沥青。
根据本发明，所述树脂组合物为不饱和聚酯树脂组合物或环氧树脂组合物。
优选地，所述不饱和聚酯树脂组合物含有不饱和聚酯树脂、添加剂、硬脂酸锌、碳素原料、MoS2、苯乙烯、引发剂和活性氧化镁，且以100重量份的不饱和聚酯树脂为基准，所述添加剂的含量可以为7.7-54重量份，所述硬脂酸锌的含量可以为3-8重量份，所述碳素原料的含量可以为385-462重量份，所述MoS2的含量可以为3-8重量份，所述苯乙烯的含量可以为7-8.5重量份，所述引发剂的含量可以为1.5-3.85重量份，所述活性氧化镁的含量可以为1.5-4.6重量份；其中，所述添加剂可以为低收缩添加剂，所述低收缩添加剂可以为聚醋酸乙烯酯PVAc、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA和聚苯乙烯，优选为聚醋酸乙烯酯PVAc和/或聚苯乙烯；所述引发剂可以为过氧化苯甲酰、过氧化乙酸叔丁酯和过氧化苯甲酸叔丁酯中的一种或多种，优选为过氧化苯甲酰和/或过氧化乙酸叔丁酯。
优选地，所述环氧树脂组合物含有环氧树脂、硬脂酸锌、碳素原料、MoS2、固化剂和增稠剂，且以100重量份的环氧树脂为基准，所述硬脂酸锌的含量可以为2-5重量份，所述碳素原料的含量可以为250-300重量份，所述MoS2的含量可以为1.5-3.5，所述固化剂的含量可以为5-15，所述增稠剂的含量可以为13-32重量份；
其中，所述固化剂可以为双氰胺DICY、4,4’-二氨基二苯砜DDS和4,4’-二胺基二苯甲烷DDM中的一种或多种，优选为双氰胺DICY。
其中，所述增稠剂可以为甲苯二异氰酸酯、有机醇、碱金属氧化物和碱金属氢氧化物中的一种或多种，优选地，所述增稠剂为甲苯二异氰酸酯和有机醇，所述有机醇可以为聚乙二醇和/或聚醚多元醇；更优选地，所述增稠剂为甲苯二异氰酸酯和聚乙二醇；且当所述增稠剂为甲苯二异氰酸酯和聚乙二醇时，以100重量份的环氧树脂为基准，所述增稠剂的总含量可以为13-32重量份，其中，所述甲苯二异氰酸酯的含量可以为8-20重量份，所述聚乙二醇的含量可以为5-12重量份。
根据本发明，所述人造石墨粉的粒径可以为40-50μm，所述石油焦炭粉的粒径可以为5-15μm，所述炭黑的粒径可以为10-100nm。
根据本发明，所述人造石墨粉可以通过商购得到。例如，本发明的实施例部分使用的人造石墨粉均来自商购，以及该人造石墨的比热容为710J/(kg·K)，导热系数为110W/(m·K)，密度为2.0g/cm3；以及本发明所采用的人造石墨的内部致密、无缝隙，因为是人造石墨为焦类、中间相类在高温石墨化过程中，晶体结构按ABAB结构重新排列，并聚合收缩，其内部致密、无缝隙；而天然石墨中保留了鳞片石墨的层状结构，片状结构间有大量空隙存在，其原因是在微观结构上，天然石墨(鳞片石墨)是层状结构，具有鳞片石墨的层状结构，所以天然石墨的闭孔更多，此闭孔在浸渗金属时金属无法填充，即整个浸金属碳滑板存在缺陷，对其力学性能、导电性能产生不利影响；因此，本发明采用人造石墨，克服了上述缺陷。
根据本发明，所述碳素坯体的体积密度可以为2.2-2.5g/cm3。
第二方面，本发明提供了一种碳滑板的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：
(1)将碳素原料、MoS2、金属和/或铜合金粉末以及粘结剂捏合，模压成型和/或挤出成型，制得生坯；
(2)将所述生坯炭化制得初坯；
(3)将所述初坯浸渍于树脂中，制得碳素坯体；
其中，所述碳素原料含有人造石墨粉、石油焦炭粉和炭黑中的一种或多种；所述粘结剂为树脂组合物；
优选地，所述金属为铁和/或铜；
更优选地，所述金属为铜。
根据本发明的制备方法，以所述生坯的总重量为基准，所述人造石墨粉的用量可以为11-63.9重量％，所述石油焦炭粉的用量可以为20-30重量％，所述炭黑的用量可以为2-8重量％，所述MoS2的用量可以为0.1-1重量％，所述金属和/或铜合金粉末的用量可以为22-40重量％，所述粘结剂的用量可以为10-20重量％。在本发明中，尽管限定了生坯的成分以及成分含量为上述范围之内即可实现本发明的目的，但是，优选情况下，以所述生坯的总重量为基准，所述人造石墨粉的用量为19.3-49.3重量％，所述石油焦炭粉的用量为10-20重量％，所述炭黑的用量为2.2-5重量％，所述MoS2的用量为0.2-0.7重量％，所述金属和/或铜合金粉末的用量为25-35重量％，所述粘结剂的用量为13-20重量％时，效果更好。
根据本发明的制备方法，所述铜合金粉末为CuCr合金粉末；在本发明中，所述CuCr合金可以通过商购得到，例如，可以购自石家庄兆昱金属材料有限公司，200目，在该CuCr合金中Cr的含量为0.5-5重量％。在本发明中，所述碳素坯体中含有微量的Cr，能够提升CuCr合金对碳素坯体的润湿性。
根据本发明的制备方法，所述铜粉为将商购得到的纯铜研磨成粉末，或者采用本领域技术人员所熟知的方法将商购的纯铜研磨成粉末，以及所述铜粉末的粒径为200目。
在本发明中，金属以铜粉和/或铜合金粉末的形式添加，在烧结过程(炭化)中，铜粉和/或铜合金粉末能够连接成网络(或者局部形成网络)，能够提升碳滑板的强度。进而由于强度提高，因此，可以不需要浸渗步骤，减少了压力浸渗设备以及工艺过程。
根据本发明的制备方法，所述树脂可以为沥青、酚醛树脂、环氧树脂和不饱和聚酯树脂中的一种或多种，所述环氧树脂可以为酚醛环氧树脂；优选地，所述树脂为沥青和/或酚醛树脂；更优选地，所述树脂为沥青。在本发明中，在将经炭化后的生坯浸渍于该树脂中时，该树脂能够浸入该生坯中，形成初坯。
根据本发明的制备方法，所述树脂组合物可以为不饱和聚酯树脂组合物或环氧树脂组合物。
优选地，所述不饱和聚酯树脂组合物含有不饱和聚酯树脂、添加剂、硬脂酸锌、碳素原料、MoS2、苯乙烯、引发剂和活性氧化镁，且以100重量份的不饱和聚酯树脂为基准，所述添加剂的用量可以为7.7-54重量份，所述硬脂酸锌的用量可以为3-8重量份，所述碳素原料的用量可以为385-462重量份，所述MoS2的用量可以为3-8重量份，所述苯乙烯的用量可以为7-8.5重量份，所述引发剂的用量可以为1.5-3.85重量份，所述活性氧化镁的用量可以为1.5-4.6重量份；其中，所述添加剂可以为低收缩添加剂，所述低收缩添加剂可以为聚醋酸乙烯酯PVAc、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA和聚苯乙烯，优选为聚醋酸乙烯酯PVAc和/或聚苯乙烯；所述引发剂可以为过氧化苯甲酰、过氧化乙酸叔丁酯和过氧化苯甲酸叔丁酯中的一种或多种，优选为过氧化苯甲酰和/或过氧化乙酸叔丁酯。
优选地，所述环氧树脂组合物含有环氧树脂、硬脂酸锌、碳素原料、MoS2、固化剂和增稠剂，且以100重量份的环氧树脂为基准，所述硬脂酸锌的用量可以为2-5重量份，所述碳素原料的用量可以为250-300重量份，所述MoS2的用量可以为1.5-3.5，所述固化剂的用量可以为5-15，所述增稠剂的用量可以为13-32重量份；
其中，所述固化剂可以为双氰胺DICY、4,4’-二氨基二苯砜DDS和4,4’-二胺基二苯甲烷DDM中的一种或多种，优选为双氰胺DICY。
其中，所述增稠剂可以为甲苯二异氰酸酯、有机醇、碱金属氧化物和碱金属氢氧化物中的一种或多种，优选地，所述增稠剂为甲苯二异氰酸酯和有机醇，所述有机醇可以为聚乙二醇和/或聚醚多元醇；更优选地，所述增稠剂为甲苯二异氰酸酯和聚乙二醇；且当所述增稠剂为甲苯二异氰酸酯和聚乙二醇时，以100重量份的环氧树脂为基准，所述增稠剂的总用量可以为13-32重量份，其中，所述甲苯二异氰酸酯的用量可以为8-20重量份，所述聚乙二醇的用量可以为5-12重量份。
根据本发明的制备方法，所述人造石墨粉的粒径可以为40-50μm，所述石油焦炭粉的粒径可以为5-15μm，所述炭黑的粒径可以为10-100nm。在本发明中，人造石墨粉、石油焦炭粉和炭黑的粒径限定为上述范围时，能够使人造石墨粉、石油焦炭粉和炭黑与MoS2、金属和/或铜合金粉末以及粘结剂更好地捏合在一起，模压成型和/或挤出成型，形成生坯。
根据本发明的制备方法，所述人造石墨粉可以通过商购得到。例如，本发明的实施例部分使用的人造石墨粉均来自商购，以及该人造石墨的比热为710J/(kg·K)，导热系数为120W/(m·K)，密度为2.0g/cm3。
根据本发明的制备方法，在各个步骤中的条件具体地如下所限定：
在步骤(1)中，所述捏合的条件包括：温度可以为室温，例如，可以为15-35℃；所述模压成型的条件包括：温度可以为100-150℃，时间可以为0.1-0.5小时；优选地，所述捏合的条件包括：温度为室温℃，例如，可以为16-33℃，时间为0.1-0.3小时；所述模压成型的条件包括：温度为120-140℃，时间为0.1-0.3小时。
在步骤(2)中，所述炭化的条件包括：升温速度可以为0.1-0.5℃/min，温度可以为1000-1300℃，时间可以为1-3小时；优选地，所述炭化的条件包括：升温速度可以为0.2-0.4℃/min，温度可以为1100-1200℃，保温时间可以为1.5-2.5小时。
在步骤(3)中，所述浸渍树脂的条件包括：温度可以为150-200℃；优选地，所述浸渍树脂的条件包括：温度可以为160-180℃。
在本发明的优选的实施方案中，将所述生坯进行炭化后形成初坯并将所述初坯浸渍树脂后，还可以再次或者多次地循环进行“炭化-浸渍树脂”的过程，例如：
根据本发明的一种制备碳滑板的方法的优选的实施方式中，其中，该方法包括以下步骤：
(1)将碳素原料、MoS2、铜和/或铜合金粉末以及粘结剂捏合，模压成型和/或挤出成型，制得生坯；
(2)将所述生坯炭化制得初坯；
(3)将所述初坯浸渍于树脂中，制得初始碳素坯体；
(4)将所述初始碳素坯体再次炭化并再次浸渍于树脂中，制得碳素坯体；
其中，所述碳素原料含有人造石墨粉、石油焦炭粉和炭黑中的一种或多种；所述粘结剂为树脂组合物。
根据本发明的制备方法，在将所述生坯进行炭化制得初坯，再将所述初坯浸渍树脂后，还可以再次或者多次地循环进行炭化并浸渍树脂的过程，直至使采用本发明的制备方法制得的所述碳素坯体的体积密度可以为2.2-2.5g/cm3；也就是说，在本发明中，将所述生坯进行“炭化并浸渍树脂”的次数没有具体限定，只要使采用本发明的制备方法制得的所述碳素坯体的体积密度可以为2.2-2.5g/cm3时即可。另外，在本发明中，对所述树脂的用量也没有具体限定，所述树脂的用量由所述生坯浸渍于树脂中的次数来决定，而所述生坯浸渍于树脂中的次数为当采用本发明的制备方法制得的所述碳素坯体的体积密度为2.2-2.5g/cm3即可停止浸渍。
第三方面，本发明提供了上述所述的碳滑板或由上述所述的制备方法制备的碳滑板在电力机车(高铁、地铁、轻轨、单轨)取电系统中的受电弓或者集电靴方面上的应用。
本发明以人造石墨粉为主体，能够提升碳滑板的耐电弧烧蚀性能；同时人造石墨的自润滑性会减少碳滑板对导线或导电轨的磨损。另外，选用铜和/或CuCr合金粉末以粉料形式添加，这些金属粉体在烧结过程中连接成网络(或者局部形成网络)，能够提升碳滑板强度，从而减少了压力浸渗设备；另外，所述粘结剂为树脂组合物，该组合物具备两个反应过程：低温增稠反应和高温交联固化反应，低温增稠反应确保了高温成型过程中各组分均匀分布，避免了碳素材料和铜粉因密度差而造成的分布不均，可确保模压过程中成分的均匀性，以及可确保树脂带动填料填充模具后固化，达到足够强度。还有，由于采用特殊的树脂组合物，一次成型，无需后续机加工；而且无需浸渗设备，工艺过程简单环保。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例中，电阻率参数通过JB/T8133.2-1999电炭制品物理化学性能试验方法-电阻率方法测得；密度参数通过JB/T8133.14-1999电炭制品物理化学性能试验方法-体积密度方法测得；硬度参数通过JB/T8133.4-1999电炭制品物理化学性能试验方法-肖氏硬度方法测得；抗折强度参数通过JB/T8133.7-1999电炭制品物理化学性能试验方法-抗折强度方法测得；抗压强度参数通过JB/T8133.8-1999电炭制品物理化学性能试验方法-抗压强度方法测得；冲击韧性参数通过GBT1043-1塑料-简支梁冲击性能的测定方法测得；接触电阻参数通过伏安法测得。
人造石墨粉(325目石墨粉)购自青岛浩源石墨有限公司的市售品。
石油焦炭粉(500目石油焦炭粉)购自顺鑫矿产；炭黑(V30超导炭黑)购自天津天阳秋实化工科技有限公司；MoS2(2000目二硫化钼)购自杰森化工产品有限公司；沥青(中温沥青)购自北京焦化厂；CuCr合金、铬青铜CC101、纯铜C1100均购自深圳市金晟钢材有限公司。
实施例1
本实施例在于说明采用本发明的制备方法制得的碳滑板。
(1)树脂组合物的制备-不饱和聚酯树脂组合物
以100重量份的不饱和聚酯树脂为基准，所述低收缩添加剂的用量为7.7重量份，所述硬脂酸锌的用量为3重量份，所述苯乙烯的用量为7重量份，所述引发剂的用量为1.5重量份，所述活性氧化镁的用量为1.5重量份；
(1)碳素坯体的制备
以所述生坯的总重量为基准，粒径为40μm的人造石墨粉的用量为33.5重量％，粒径为5μm石油焦炭粉的用量为19.5重量％，粒径为30nm炭黑的用量为2.8重量％，MoS2的用量为0.6重量％，所述铜粉末的用量为26.9重量％，所述树脂组合物的用量为16.7重量％，在室温25℃下捏合3h，在140℃模压成型，制得生坯；
(2)将所述生坯以0.1℃/min的升温速率升至1000℃，且在1000℃温度下炭化3h，制得初坯；
(3)将所述初坯在180℃下浸渍于沥青中，制得初始碳素坯体；
(4)将所述初始碳素坯体再次以0.1℃/min的升温速率升至1000℃，且在1000℃温度下炭化3h；然后再在250℃下浸渍于沥青中，直至制得的所述碳素坯体的体积密度为2.2g/cm3，制得到碳滑板，标记为S1。
对该碳滑板S1的性能进行测试，结果如表1所示。
实施例2
本实施例在于说明采用本发明的制备方法制得的碳滑板。
(1)树脂组合物的制备-不饱和聚酯树脂组合物
以100重量份的不饱和聚酯树脂为基准，所述低收缩添加剂的用量为54重量份，所述硬脂酸锌的用量为8重量份，所述苯乙烯的用量为8.5重量份，所述引发剂的用量为3.85重量份，所述活性氧化镁的用量为4.6重量份；
(1)碳素坯体的制备
以所述生坯的总重量为基准，粒径为50μm的人造石墨粉的用量为45重量％，粒径为15μm石油焦炭粉的用量为2.8重量％，粒径为30nm炭黑的用量为2.8重量％，MoS2的用量为0.6重量％，所述CuCr合金粉末的用量为26.9重量％，所述树脂组合物的用量为16.7重量％，在室温18℃下捏合3h，在150℃模压成型，制得生坯；
(2)将所述生坯以0.5℃/min的升温速率升至1300℃，且在1300℃温度下炭化1h，制得初坯；
(3)将所述初坯在200℃下浸渍于沥青中，制得初始碳素坯体；
(4)将所述初始碳素坯体再次以0.5℃/min的升温速率升至1300℃，且在1300℃温度下炭化1h；然后再在350℃下浸渍于沥青中，直至制得的所述碳素坯体的体积密度为2.5g/cm3；制得到碳滑板，标记为S2。
对该碳滑板S2的性能进行测试，结果如表1所示。
实施例3
本实施例在于说明采用本发明的制备方法制得的碳滑板。
(1)树脂组合物的制备-环氧树脂组合物
以100重量份的环氧树脂为基准，所述硬脂酸锌的用量为2重量份，所述固化剂的用量为5，所述增稠剂的用量为13重量份。
(1)碳素坯体的制备
以所述生坯的总重量为基准，粒径为45μm的人造石墨粉的用量为27.8重量％，粒径为10μm石油焦炭粉的用量为20重量％，粒径为30nm炭黑的用量为2.8重量％，MoS2的用量为0.6重量％，所述铜粉末的用量为26.9重量％，所述树脂组合物的用量为16.7重量％，在室温捏合3h，在130℃模压成型，制得生坯；
(2)将所述生坯以0.3℃/min的升温速率升至1200℃，且在1200℃温度下炭化2h，制得初坯；
(3)将所述初坯在200℃下浸渍于沥青中，制得初始碳素坯体；
(4)将所述初始碳素坯体再次以0.3℃/min的升温速率升至1200℃，且在1200℃温度下炭化2h；然后再在300℃下浸渍于沥青中，直至制得的所述碳素坯体的体积密度为2.3g/cm3；制得到碳滑板，标记为S3。
对该碳滑板S3的性能进行测试，结果如表1所示。
实施例4
按照实施例3的方法制备碳滑板，不同的是，树脂组合物的含量不同，且使用的是CuCr合金粉末；例如：以100重量份的环氧树脂为基准，所述硬脂酸锌的用量为5重量份，所述碳素原料的用量为200重量份，所述MoS2的用量为3.5，所述固化剂的用量为15，所述增稠剂的用量为32重量份；
制得到碳滑板，标记为S4。
对该碳滑板S4的性能进行测试，结果如表1所示。
对比例1
按照CN1032741C(申请号93111950.2)公开了一种电力机车受电弓滑板的制备方法制备得到的电力机车受电弓滑板，标记为D1。
对该电力机车受电弓滑板D1的性能进行测试，结果如表1所示。
表1
参数 单位 测试值 S1 S2 S3 S4 D1
1 电阻率 μΩ·m ≤12 3 8 6 10 10
2 密度 g·cm<sup>-3</sup> ≤3.0 2.7 2.4 2.5 2.2 2.5
3 硬度 肖氏/HS ≥85 98 96 95 92 95
4 抗折强度 MPa ≥85 120 100 105 96 100
5 抗压强度 MPa ≥280 350 300 330 290 280
6 冲击韧性 J·cm<sup>-2</sup> ≥0.25 0.5 0.33 0.42 0.28 0.3
7 接触电阻 mΩ ≤1.2 0.2 0.4 0.35 0.42 0.4
8 比热容 J/(kg·K) ----- 763 801 753 829 670
通过实施例与对比例以及表1的结果可以看出，本发明以人造石墨粉为主体，能够提升碳滑板的耐电弧烧蚀性能；同时人造石墨的自润滑性会减少碳滑板对导线或导电轨的磨损。另外，选用铜和/或CuCr合金粉末以粉料形式添加，这些金属粉体在烧结过程中连接成网络(或者局部形成网络)，能够提升碳滑板强度，从而减少了压力浸渗设备；另外，所述粘结剂为树脂组合物，可确保模压过程中成分的均匀性，以及可确保树脂带动填料填充模具后固化，达到足够强度。还有，由于采用特殊的树脂组合物，一次成型，无需后续机加工；而且无需浸渗设备，工艺过程简单环保。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于制备碳滑板的生坯，其特征在于，所述生坯含有碳素原料、MoS2、铜合金粉末以及粘结剂；所述碳素原料含有人造石墨粉、石油焦炭粉和炭黑，所述人造石墨内部致密、无缝隙；所述粘结剂为树脂组合物，所述树脂组合物为不饱和聚酯树脂组合物或环氧树脂组合物；所述铜合金为CuCr合金，该CuCr合金中Cr的含量为0.5-5重量%；
其中，以所述生坯的总重量为基准，所述人造石墨粉的含量为27.8-45重量%，所述石油焦炭粉的含量为2.8-20重量%，所述炭黑的含量为2.2-5重量%，所述MoS2的含量为0.2-0.7重量%，所述铜合金粉末的含量为25-35重量%，所述粘结剂的含量为13-20重量%；
其中，所述不饱和聚酯树脂组合物含有不饱和聚酯树脂、添加剂、硬脂酸锌、碳素原料、MoS2、苯乙烯、引发剂和活性氧化镁，其中，所述添加剂选自聚醋酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯中的一种或多种，所述引发剂选自过氧化苯甲酰、过氧化乙酸叔丁酯和过氧化苯甲酸叔丁酯中的一种或多种；且以100重量份的不饱和聚酯树脂为基准，所述添加剂的含量为7.7-54重量份，所述硬脂酸锌的含量为3-8重量份，所述碳素原料的含量为385-462重量份，所述MoS2的含量为3-8重量份，所述苯乙烯的含量为7-8.5重量份，所述引发剂的含量为1.5-3.85重量份，所述活性氧化镁的含量为1.5-4.6重量份；
其中，所述环氧树脂组合物含有环氧树脂、硬脂酸锌、碳素原料、MoS2、固化剂和增稠剂，且以100重量份的环氧树脂为基准，所述硬脂酸锌的含量为2-5重量份，所述碳素原料的含量为250-300重量份，所述MoS2的含量为1.5-3.5，所述固化剂的含量为5-15，所述增稠剂的含量为13-32重量份。
2.根据权利要求1所述的生坯，其中，所述人造石墨粉的粒径为40-50μm，所述石油焦炭粉的粒径为5-15μm，所述炭黑的粒径为10-100nm。
3.一种采用权利要求1或2所述的生坯制备碳素坯体的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）将碳素原料、MoS2、铜合金粉末以及粘结剂捏合，模压成型，制得生坯；
（2）将所述生坯炭化制得初坯；
（3）将所述初坯浸渍于树脂或沥青中，制得碳素坯体。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其中，所述树脂为酚醛树脂、环氧树脂和不饱和聚酯树脂中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其中，所述树脂为酚醛树脂。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其中，在步骤（1）中，所述捏合的条件包括：温度为15-35℃；所述模压成型的条件包括：温度为100-150℃，时间为0.1-0.5小时；
在步骤（2）中，所述炭化的条件包括：升温速度为0.1-0.5℃/ min，温度为1000-1300℃，时间为1-3小时；以及
在步骤（3）中，所述浸渍树脂的条件包括：温度为150-200℃。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其中，所述碳素坯体的体积密度为2.2-2.5g/cm3。
8.一种由权利要求1或2所述的生坯或由权利要求3-7中任意一项所述的制备方法制备的碳素坯体制备的碳滑板在电力机车取电系统中的受电弓或者集电靴方面上的应用。
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