CN109867522A - 一种集电靴碳滑板的制备方法及集电靴碳滑板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集电靴碳滑板的制备方法及集电靴碳滑板，制备集电靴碳滑板所需的造粒粉料，将造粒粉料在室温下模压成型得到压坯，再将压坯焙烧成型，得到集电靴碳滑板，其中：所述造粒粉料包括碳素原料、粘接剂和添加剂；所述添加剂为二甲基硅油、丙三醇、石蜡和正辛酸中的至少一种。本发明所述集电靴碳滑板的制备方法工艺简单，不需要致密化处理，直接可制备出高密度集电靴碳滑板，能够有效降低生产成本。

Description

一种集电靴碳滑板的制备方法及集电靴碳滑板

技术领域

本发明涉及电力机车碳滑板技术领域，具体涉及一种集电靴碳滑板的制备方法及集电靴碳滑板。

背景技术

现有技术中以碳素原料为主制备的碳滑板具有高导电、高导热、耐磨、自润滑、导电轨磨损小等优点，目前仍是国内外铁路行业的首选材料，与浸金属碳滑板相比，其制备工艺更简单，成本更低，且导电轨的磨损更小。

专利CN104926347A公开了一种高速铁路动车组用受电弓滑板复合材料及其制备方法，该受电弓滑板复合材料包括短切碳纤维（30-60%）、沥青焦粉（10-20%）、鳞片石墨粉（10-20%）、酚醛树脂粉（20-30%）及铜粉（5-10%）。该受电弓滑板复合材料的制备步骤包括：（1）将受电弓滑板粉料热压成型；（2）利用化学气相沉积法对受电弓滑板进行致密化处理，从而得到密度为1.72-1.78 g·cm^-3的受电弓滑板；（3）在2300-3500℃范围对受电弓滑板进行石墨化处理。该受电弓滑板成型方法为热压成型，对设备要求较高，需要在加热条件下对粉料进行压制，若不加热，则粉料的流动性差，难以压制得到致密性高的压坯；其次，仅仅依靠热压成型，该受电弓滑板密度、强度仍不足，它需要利用化学气相沉积法对该受电弓滑板进行致密化处理才能获得高密度的受电弓滑板。采用该方法制备受电弓滑板一方面需要热压形成压坯，另一方面需要经过致密化处理，制备工艺复杂，成本高。

发明内容

本发明主要针对上述现有技术中的不足，提供一种工艺简单、成本较低的集电靴碳滑板的制备方法，该集电靴碳滑板的制备方法是在室温条件下形成高致密性的压坯，压坯经焙烧后可直接得到高密度集电靴碳滑板，无需致密化处理。

为了实现上述目的，本发明提供一种集电靴碳滑板的制备方法，包括步骤：

S1：制备集电靴碳滑板所需的造粒粉料；

S2：将造粒粉料在室温下模压成型得到压坯；

S3：将压坯焙烧成型；

其中：所述造粒粉料包括碳素原料、粘接剂和添加剂；所述添加剂为二甲基硅油、丙三醇、石蜡和正辛酸中的至少一种。

本发明另一方面提供一种集电靴碳滑板，所述集电靴碳滑板是由上述集电靴碳滑板的制备方法制备得到。

本发明提供的集电靴碳滑板的制备方法是通过在碳素原料中加入能够改善粉料流动性的添加剂，使得碳素粉料在室温条件下就具有良好的流动性，从而在室温下就可压制获得高致密性的压坯，压坯焙烧后可直接得到高密度集电靴碳滑板，无需致密化处理，工艺简单，能够有效降低生产成本。

具体实施方式

下面详细描述本发明的具体实施方式，应当说明的是下述实施方式仅是示例性的，不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明提供一种集电靴碳滑板的制备方法，包括如下步骤：

S1：制备集电靴碳滑板所需的造粒粉料；

S2：将造粒粉料在室温下模压成型得到压坯；

S3：将压坯焙烧成型；

其中：所述造粒粉料包括碳素原料、粘接剂和添加剂；所述添加剂为二甲基硅油、丙三醇、石蜡和正辛酸中的至少一种。

本发明中，所述添加剂的使用能够减小碳素原料颗粒与颗粒之间的摩擦力，从而改善造粒粉料的流动性，使其在模压成型过程中具有足够的可塑性，从而在室温条件下被压制成高致密性的碳滑板初坯。所述添加剂在高温焙烧工序中会被碳化或气化除去，最后不会残留在集电靴碳滑板中。

进一步地，以重量计，所述添加剂的重量份数为5-20份。

本发明中，所述碳素原料包括石墨粉，所述石墨粉的石墨化度在80%以上，石墨化度高的石墨粉真密度高，以高石墨化的石墨粉作为碳素原料能够提高碳滑板的致密性。

进一步地，以重量计，所述石墨粉的重量份数为50-60份。

本发明中，所述碳素原料包括超导炭黑或中间相炭微球。其中：超导炭黑能够起到增加碳滑板骨架强度，增加碳滑板耐磨性能的作用；中间相炭微球能够充当碳素原料的颗粒增强相、又可作粘结剂以减少树脂型粘结剂的用量。

进一步地，以重量计，所述超导炭黑或中间相炭微球的重量份数为5-15份。

本发明中，所述碳素原料还包括石油焦、针状焦、焦炭粉和沥青焦中的至少一种，石油焦、针状焦、焦炭粉和沥青焦均具有较好的导电性，还能够增加碳滑板强度，这些碳素粉料本质上都是‘炭’，其在润滑、导电、增加碳滑板强度、耐磨性能方面都有一定的效果。

进一步地，以重量计，所述石油焦的重量份数为10-30份，针状焦的重量份数为5-20份，焦炭粉的重量份数为5-10份，沥青焦的重量份数为5-20份。

本发明中，粘接剂为沥青或者树脂型粘接剂，优选为树脂型粘接剂。树脂型粘接剂的软化点较低，在常温下为液体状态，流动性好，选择树脂类的粘接剂能够增加混料过程中碳素粉料的流动性，有利于室温条件下碳素粉料的模压成型。

进一步地，以重量计，所述粘接剂的重量份数为15-35份。

本发明中，所述造粒粉料的粒径小于100微米。

本发明中，制备集电靴碳滑板所需的造粒粉料，首先是将碳素粉料在混捏机中干混，干混时间为2-4 h，然后加入酒精、添加剂和粘结剂进行湿混，湿混时间为4-8 h，湿混完成后，开启混捏机的加热装置，在50-75℃条件下搅拌至酒精完全挥发，得到粗粉，再将粗粉于磨粉机中打碎并过筛网，得到均匀的造粒粉料。

本发明中，所述步骤S2中室温模压成型的压力为50-300 MPa，保压时间为0.5-2h。

本发明中，所述步骤S3中焙烧是以5-10℃/min升温速率升温至800-1200°C，并在该温度下保温10-30 h。

本发明另一方面提供一种集电靴碳滑板，所述集电靴碳滑板是由上述集电靴碳滑板的制备方法制备得到。

本发明通过在碳滑板所需的造粒粉料中加入改善粉料流动性的添加剂，使得造粒粉体在室温条件下就具有较好流动性，从而在室温下就可压制获得高致密性的压坯，压坯焙烧后可直接得到高密度集电靴碳滑板，无需致密化处理，工艺流程简单，能有效降低生产成本。

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实施例及对比例中所采用原料均通过商购得到，本发明没有特殊限定。

实施例1

以重量计，将50份石墨粉、20份石油焦、10份焦炭粉和5份超导炭黑置于混捏机中干混3h，再加入5份丙三醇、20份线性酚醛树脂和30份酒精继续湿混4 h，然后利用加热装置将料温提高到70℃，直至酒精完全挥发，获得粗粉，将粗粉于磨粉机中粉碎，过200目筛网，获得造粒粉料。

在室温条件下，将造粒粉料置于模压模具中，于200 MPa的压力下模压得到压坯，保压时间为2 h。

将压坯置于焙烧炉中焙烧（N₂气氛），以5℃/h的升温速率升至1000℃下保温20 h，制得集电靴碳滑板。

实施例2

以重量计，将60份石墨粉、10份石油焦、20份针状焦和10份超导炭黑置于混捏机中干混3 h，再加入10份二甲基硅油、30份糠醛苯酚树脂和30份酒精继续湿混4 h，然后利用加热装置将料温提高到70℃，直至酒精完全挥发，获得粗粉，将粗粉于磨粉机中粉碎，过200目筛网，获得造粒粉料。

在室温条件下，将造粒粉料置于模压模具中，于300 MPa的压力下模压得到压坯，保压时间为0.5 h。

将压坯置于焙烧炉中焙烧（真空环境），以10℃/h的升温速率升至1200℃下保温20h，制得集电靴碳滑板。

实施例3

以重量计，将55份石墨粉、10份石油焦、10份针状焦、10份焦炭粉和10份超导炭黑置于混捏机中干混3 h，再加入10份丙三醇、10份二甲基硅油、25份热固性苯酚树脂和25份酒精继续湿混4 h，然后利用加热装置将料温提高到70℃，直至酒精完全挥发，获得粗粉，将粗粉于磨粉机中粉碎，过200目筛网，获得造粒粉料。

在室温条件下，将造粒粉料置于模压模具中，于100 MPa的压力下模压得到压坯，保压时间为0.5 h。

将压坯置于焙烧炉中焙烧（真空环境），以10℃/h的升温速率升至1200℃下保温20h，制得集电靴碳滑板。

实施例4

以重量计，将55份石墨粉、25份石油焦和8份中间相炭微球置于混捏机中干混3 h，再加入15份正辛酸、20份酚醛树脂和20份酒精继续湿混4 h，然后利用加热装置将料温提高到70℃，直至酒精完全挥发，获得粗粉，将粗粉于磨粉机中粉碎，过100目筛网，获得造粒粉料。

室温条件下，将造粒粉置于模压模具中，于150 MPa的压力下模压得到压坯，保压时间为0.5 h。

将压坯置于焙烧炉中焙烧（真空环境），以10℃/h的升温速率升至1200℃下保温20h，制得集电靴碳滑板。

实施例5

以重量计，将60份石墨粉、15份针状焦、15份沥青焦和10份超导炭黑置于混捏机中干混3 h，再加入20份石蜡、20份热塑性酚醛树脂和20份酒精继续湿混4 h，然后利用加热装置将料温提高到70℃，直至酒精完全挥发，获得粗粉，将粗粉于磨粉机中粉碎，过100目筛网，获得造粒粉料。

室温条件下，将造粒粉置于模压模具中，于150 MPa的压力下模压得到压坯，保压时间为0.5 h。

将压坯置于焙烧炉中焙烧（真空环境），以10℃/h的升温速率升至1200℃下保温20h，制得集电靴碳滑板。

对比例1

按重量比例称取原料：30%的短切碳纤维、30%的酚醛树脂粉、20%的沥青焦粉、10%的鳞片石墨粉和10%的铜粉；将称量好的原料用行星式球磨机以200转/min的转速混合2 h，确保原料混合均匀。

将制备的混合物倒入按照受电弓滑板结构、尺寸制作的模压机机模具中压制成型，制得受电弓滑板初坯，其中模压机压制温度为120℃，压力为1 MPa，保压时间为2 h。

将制备出的受电弓滑板坯体放入马弗炉中进行预氧化处理，以1℃/min的升温速率升温至300℃，保温6 h，随后断电降温。

将预氧化处理后的受电弓滑板坯体放入碳化炉中进行碳化，以30℃/h的升温速率升至900℃后保温2 h，以20℃/h的降温速率降至室温，制得碳-碳复合材料受电弓滑板坯体。

将制备出的碳-碳复合材料受电弓滑板坯体放入等温化学气相沉积炉中进行致密化处理，在氩气保护气氛下以3℃/min的升温速率从室温升至1000℃后保温1 h，然后关闭氩气，通入2 L/min甲烷气体，沉积50 h后关闭甲烷气体，在氩气保护气氛下以3℃/min的降温速率降温至室温。

再将上述致密化处理过的碳-碳复合材料受电弓滑板放入高温石墨化处理炉中进行石墨化处理，处理温度为2300℃，升温速率为2℃/min，保温时间为2 h，然后以1℃/min的降温速率降温至室温，即得到高速铁路动车组用受电弓滑板复合材料。

性能测试

参照TB-T1842.3-2008的测试方法测试上述实施例及对比例的集电靴碳滑板性能，结果见表1：

表1

测试项目	单位	测试值	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	对比例1
									电阻率	μΩ·m	≤40	21.5	26.2	20.1	29	31	18.5
密度	g·cm<sup>-3</sup>	≤1.8	1.76	1.72	1.79	1.73	1.72	1.73
									抗折强度	MPa	≥30	59	42.9	61	47	42	82.5
抗压强度	MPa	≥40	119	98	115	89	95	124
									冲击韧性	J·cm<sup>-2</sup>	≥0.1	0.31	0.36	0.34	0.29	0.23	0.52

由表1可以看出，实施例1-5制备的集电靴碳滑板的密度在1.72-1.79 g·cm^-3之间，且其他测试项目均满足测试标准，这就说明采用本发明申请的集电靴碳滑板的制备方法，能够在室温条件下压制获得高致密性的压坯，压坯焙烧后可直接得到高密度集电靴碳滑板，无需致密化处理，工艺简单，有效降低生产成本。

尽管上面已经示出了本发明的具体实施方式，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。

Claims (15)

1.一种集电靴碳滑板的制备方法，其特征在于，包括步骤：

S1：制备集电靴碳滑板所需的造粒粉料；

S2：将造粒粉料在室温下模压成型得到压坯；

S3：将压坯焙烧成型；

其中：所述造粒粉料包括碳素原料、粘接剂和添加剂；所述添加剂为二甲基硅油、丙三醇、石蜡和正辛酸中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的集电靴碳滑板的制备方法，其特征在于：以重量计，所述添加剂的重量份数为5-20份。

3.根据权利要求1所述的集电靴碳滑板的制备方法，其特征在于：所述碳素原料包括石墨粉，所述石墨粉的石墨化度在80%以上。

4.根据权利要求3所述的集电靴碳滑板的制备方法，其特征在于：以重量计，所述石墨粉的重量份数为50-60份。

5.根据权利要求1所述的集电靴碳滑板的制备方法，其特征在于：所述碳素原料包括超导炭黑或中间相炭微球。

6.根据权利要求5所述的集电靴碳滑板的制备方法，其特征在于：以重量计，所述超导炭黑或中间相炭微球的重量份数为5-15份。

7.根据权利要求1所述的集电靴碳滑板的制备方法，其特征在于：所述碳素原料还包括石油焦、针状焦、焦炭粉和沥青焦中的至少一种。

8.根据权利要求7所述的集电靴碳滑板的制备方法，其特征在于：以重量计，所述石油焦的重量份数为10-30份，针状焦的重量份数为5-20份，焦炭粉的重量份数为5-10份，沥青焦的重量份数为5-20份。

9.根据权利要求1所述的集电靴碳滑板的制备方法，其特征在于：所述粘接剂为沥青或者树脂型粘接剂。

10.根据权利要求9所述的集电靴碳滑板的制备方法，其特征在于：以重量计，所述粘接剂的重量份数为15-35份。

11.根据权利要求1所述的集电靴碳滑板的制备方法，其特征在于：所述造粒粉料的粒径小于100微米。

12.根据权利要求1所述的集电靴碳滑板的制备方法，其特征在于：所述室温模压成型的压力为50-300 MPa，保压时间为0.5-2 h。

13.根据权利要求1所述的集电靴碳滑板的制备方法，其特征在于：所述焙烧是以5-10℃/min的升温速率升温至800-1200℃，并在该温度下保温10-30 h。

14.根据权利要求1所述的集电靴碳滑板的制备方法，其特征在于：所述步骤S1制备碳滑板所需的造粒粉料还包括步骤：

S10：将碳素原料在混捏机中干混；

S11：加入酒精、添加剂和粘接剂进行湿混；

S12：加热搅拌至酒精完全挥发，制得粗粉；

S13：粗粉打磨过筛，得到造粒粉料。

15.一种集电靴碳滑板，其特征在于：所述集电靴碳滑板由权利要求1-14中任一项集电靴碳滑板的制备方法制备得到。