CN110893466B - 石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料 - Google Patents

石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种石墨烯‑钛铝碳复合耐磨材料，由如下步骤制成：混合步骤，将钛粉，铝粉，碳化钛粉和石墨烯混合，得到混合粉料，对混合粉料进行球磨，热压烧结步骤，将在混合步骤中完成球磨后的混合粉料放入模具中进行热压烧结，得到石墨烯‑钛铝碳复合耐磨材料。该复合耐磨材料应用于受电弓滑板，与现有的受电弓滑板材料相比，Ti3AlC2的电阻率低，加入石墨烯后有利于提高陶瓷基复合材料的电导率，降低截留值；Ti3AlC2本身具有较高的电导率，与石墨烯复合后提高了电导率；Ti3AlC2有良好的的抗热震性，加入石墨烯后抗热震性有了极大的提高；Ti3AlC2具有良好的耐磨性，加入石墨烯后，耐磨性有显著的增强。

Description

石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料
技术领域
本发明涉及陶瓷基复合耐磨材料领域，特别涉及一种石墨烯-钛铝碳(石墨烯-Ti3AlC2)复合耐磨材料。
背景技术
受电弓滑板作为电力机车供电部分的核心零部件，滑板质量的优劣直接影响机车的供电稳定性和电机的正常运转，由于滑板性能低劣发生的断裂等现象而造成的事故屡见不鲜。这也是为什么自电力机车诞生以来，人们对它的探索未曾一刻停歇过。
目前使用的受电弓滑板按材料科学与工程的分类主要分为纯金属系滑板、纯碳系滑板和复合材料滑板三大材质。
金属系滑板：纯金属滑板是以导电金属为原料直接生产的滑板，可大体分为铜、钢两种。这种滑板原料丰富以至取材简便经济，生产简单易行容错率高，制造成本较其他材质滑板低，抗冲击强度高，且集电容量大和导电性能优异，其中寿命较碳系滑板长，引起弓网故障事故概率小，并且易于检修。但由于滑板和导线材料的结构相近，与导线之间形成较强的亲和力，便易引起严重的粘着甚至磨损，极速磨损和频繁更换是纯金属系滑板不可避免的问题。
纯碳系滑板：纯碳滑板对导线的损耗率低，大大增加了接触网的使用寿命，在机车高速运行时易出现断裂，厚度变薄进一步造成受力不匀等现象的主要原因是其机械强度较低。这也是弓网故障率高，使用周期短且适用范围受限制的一大主要原因。另外值得一提的是，纯碳系滑板电阻率较纯金属系滑板大，会致使列车运用中接触网温度过高，进而引起导线过热然后氧化，严重的可能会发生事故，加速磨损的程度，便失去了我国经济节能型社会的宗旨。
复合材料滑板：在现代科学发展中最具发展前景的材料，而且伴随着一定的数据基础的材料就是复合材料，其实际上就是有两种或两种以上化学性质或物理性质不同的材料，为了使各个材料成中的性质和性能在一种材料上体现，人类通过各种各样的工艺方法制备复合材料进一步得到单一材料根本无法比拟的化学性能和物理性能。它俨然是一种全新的工程力学材料。现如今的手段通常为加入纤维材料，例如媒体炒得最热的碳纤维和铜纤维依此来提高滑板最需要的性能，即抗冲击强度和抗弯强度，其原因仅简简单单为纤维拥有高比模量和高比强度的性能。
需要一种具有上述各材质的优点而没有上述材质缺点的材料，并将该种材料应用在受电弓滑板上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料本发明提供的复合耐磨材料有良好的耐磨性、质量轻、极好的物理性能、力学性能和电接触性。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料，由如下步骤制成：
混合步骤，将钛粉，铝粉，碳化钛粉和石墨烯混合，得到混合粉料，对混合粉料进行球磨，
热压烧结步骤，将在混合步骤中完成球磨后的混合粉料放入模具中进行热压烧结，得到石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料。
进一步地，在上述复合耐磨材料中，在所述混合步骤中，所述碳化钛粉、所述钛粉和所述铝粉的摩尔质量比为2:1:1。
进一步地，在上述复合耐磨材料中，在所述混合粉料中，按质量百分比，钛粉、铝粉和碳化钛粉共占比98％-99.8％，石墨烯占比0.2％-2％。
进一步地，在上述复合耐磨材料中，所述钛粉的纯度大于99.99％，所述钛粉的粒度为45μm-75μm；所述铝粉的纯度大于99％，所述铝粉的粒度为45μm-75μm；所述碳化钛粉的纯度大于99.99％，所述碳化钛粉的粒度为20μm-45μm。
进一步地，在上述复合耐磨材料中，所述石墨烯为片状单层结构，所述石墨烯的片径为4μm-5μm、厚度为3-10nm。
进一步地，在上述复合耐磨材料中，在所述混合步骤中，所述球磨的时间为10-16小时。
进一步地，在上述复合耐磨材料中，在所述混合步骤中，球磨时在无水乙醇介质中进行三维球磨。
进一步地，在上述复合耐磨材料中，在所述热压烧结步骤中，烧结条件为真空，真空度为5×10-2Pa-7×10-2Pa，升温速率为10-25℃/min，加热到1300℃-1350℃进行烧结，烧结压力为25-30Mpa，保温时间为40min-1h。
进一步地，在上述复合耐磨材料中，在所述热压烧结步骤中，进行热压烧结所用所述模具为高强石墨模具。
进一步地，在上述复合耐磨材料中，所述石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料用于制作受电弓滑板。
分析可知，
本发明公开一种石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料，钛铝碳(Ti3AlC2)材料兼具有金属和陶瓷的双重性能，具有金属材料的良好导电导热性能、相对较低的硬度、高温下具有塑性和可机械加工性；同时也有陶瓷材料的高强度、低密度、优异的高温稳定性、优良的耐腐蚀性能，摩擦系数低和良好的自润滑性等特点。
将上述复合耐磨材料应用于受电弓滑板，与现有的受电弓滑板材料相比，Ti3AlC2的电阻率低，加入石墨烯后有利于提高陶瓷基复合材料的电导率，降低截留值；Ti3AlC2本身具有较高的电导率，与石墨烯复合后提高了电导率；Ti3AlC2有良好的的抗热震性，加入石墨烯后抗热震性有了极大的提高；Ti3AlC2具有良好的耐磨性，加入石墨烯后，耐磨性有显著的增强。
由此可见，石墨烯-钛铝碳复合材料可在多方面改善现有的受电弓滑板材料的性能。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是对比例1中没有加入石墨烯的钛铝碳在施加载荷为30N、磨损时间为40min的划痕照片。
图2是对比例1中没有加入石墨烯的钛铝碳在施加载荷为50N、磨损时间为40min的划痕照片。
图3是实施例3中石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料及制备方法在施加载荷为30N、磨损时间为40min的划痕照片。
图4是实施例3中石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料及制备方法在施加载荷为50N、磨损时间为40min的划痕照片。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
如图3至图4所示，根据本发明的实施例，提供了一种石墨烯-钛铝碳(石墨烯-Ti3AlC2)复合耐磨材料，上述石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料可用于制作受电弓滑板。
石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料由如下步骤制成：
混合步骤，将钛粉，铝粉，碳化钛粉和石墨烯混合，得到混合粉体混合粉料，对混合粉料进行球磨。
热压烧结步骤，将球磨后的混合粉料放入模具中进行热压烧结，得到石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料。
进一步地，在混合步骤中，碳化钛粉、钛粉和铝粉的摩尔质量比为2:1:1。上述配比能够保证烧结后的所述钛粉、所述铝粉和所述碳化钛粉形成Ti3AlC2(复合耐磨材料中的主要成分，其他可忽略不计)。在混合粉料中，按质量百分比，钛粉、铝粉和碳化钛粉共占比98％-99.8％，石墨烯占比0.2％-2％(比如：0.25％、0.35％、0.40％、0.50％、0.75％、0.9％、1％、1.2％、1.35％、1.4％、1.55％、1.65％、1.75％、1.85％、1.9％)。即按质量百分比，烧结后的形成的Ti3AlC2占比98％-99.8％，石墨烯占比0.2％-2％，在保留Ti3AlC2优良性能的基础上，占比0.2％-2％石墨烯又恰当的提高了性能。Ti3AlC2本身具有较高的电导率，与石墨烯复合后更提高了电导率；Ti3AlC2有良好的的抗热震性，加入石墨烯后抗热震性有了极大的提高；Ti3AlC2具有良好的耐磨性，加入石墨烯后，耐磨性有显著的增强。
进一步地，在混合步骤中，钛粉的纯度大于99.99％，钛粉的粒度为45μm-75μm(比如：46μm、48μm、50μm、52μm、54μm、56μm、58μm、60μm、62μm、64μm、66μm、68μm、70μm、72μm、74μm)；铝粉的纯度大于99％，铝粉的粒度为45μm-75μm(比如：46μm、48μm、50μm、52μm、54μm、56μm、58μm、60μm、62μm、64μm、66μm、68μm、70μm、72μm、74μm)；碳化钛粉的纯度大于99.99％，碳化钛粉的粒度为20μm-45μm(比如：22μm、24μm、26μm、28μm、30μm、32μm、34μm、36μm、38μm、40μm、42μm、44μm)。选用粒度为45μm-75μm的钛粉、45μm-75μm的铝粉、20μm-45μm的碳化钛粉的原因是为了将三种不同粉体混合后形成合理的级配，选用微米级粉体而不是纳米级粉体的原因是出于经济成本的考虑，纳米级粉体的价格是微米级粉体的数倍。
由于石墨烯的尺寸结构越小，越容易团聚，越不容易分散。为了使石墨烯不易团聚，在本发明中，石墨烯为片状单层结构，片径为4μm-5μm，厚度为3-10nm(比如：3.5nm、4nm、4.5nm、5nm、5.5nm、6nm、6.5nm、7nm、7.5nm、8nm、8.5nm、9nm、9.5nm或者任意两个数值之间的范围)。
进一步地，在混合步骤中，球磨时间为10-16小时(比如：11小时、12小时、13小时、14小时、15小时)。球磨时，混合粉料在无水乙醇介质中进行三维球磨。无水乙醇介质可以吸收由于球磨而产生的热量，并且使钛粉、铝粉、碳化钛粉和石墨烯混合的更加均匀，还可以防止钛粉、铝粉、碳化钛粉和石墨烯间发生相互反应。
进一步地，在热压烧结步骤中，烧结条件为真空，真空度为5×10-2Pa-7×10-2Pa(比如：5.2×10-2Pa、5.4×10-2Pa、5.6×10-2Pa、5.8×10-2Pa、6.0×10-2Pa、6.2×10-2Pa、6.4×10-2Pa、6.6×10-2Pa、6.8×10-2Pa)，升温速率为10-25℃/min(比如：12℃/min、14℃/min、16℃/min、18℃/min、20℃/min、22℃/min、24℃/min)，加热到1300℃-1350℃(比如：1305℃、1310℃、1315℃、1320℃、1325℃、1330℃、1335℃、1340℃、1345℃)进行烧结，烧结压力为25-30Mpa(比如：25Mpa、26Mpa、27Mpa、28Mpa、29Mpa、30Mpa)，保温时间为40min-1h(比如：42min、44min、46min、48min、50min、52min、54min、56min、58min)；
进一步地，在热压烧结步骤中，进行热压烧结所用模具为高强石墨模具。高强石墨的参数为：石墨含碳量大于99.99％、抗压强度为45Mpa、抗折强度为37Mpa、弹性模量为9.8Gpa、热膨胀系数为4.8x10-6/℃、热导率为104Kc/mh/℃。本发明选用的高强石墨模具具有耐高温的特点，能够在温度为1300的环境条件下工作，强度高，高强石墨与普通石墨相比能够承受更大的压力，使热压烧结能够顺利进行。
利用热压烧结工艺制备的石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料，可以使材料的致密性接近90％，复合耐磨材料组织均匀，基体(钛铝碳)与强化相(石墨烯)之间的结合紧密，缺陷极少，如图3和图4所示，石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料的耐磨性能大大提高。
实施例1
混合步骤，将碳化钛粉、钛粉、铝粉按照摩尔质量比2:1:1的比例配料，称取碳化钛粉39.92g、钛粉15.96g、铝粉8.99g和石墨烯0.16g(在混合粉料中，石墨烯占比约0.2％)并进行混合，得到混合粉料，在无水乙醇介质中对混合粉料进行三维球磨，三维球磨的时间为12h。
热压烧结步骤，将三维球磨后的混合粉料进行烘干，然后取30g混合粉料放入高强石墨模具中进行热压烧结，得到石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料。热压烧结的真空度为5×10- 2Pa、升温速率为10℃/min、热压烧结的温度为1350℃、烧结压力为25Mpa、保温时间为1h。
对本实例所制备的石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料进行切割，得到17.5095g的复合耐磨材料，对复合耐磨材料依次在30N载荷和50N载荷下进行耐磨试验，其耐磨性能结果为：在30N载荷下摩擦40min，复合耐磨材料的损失质量为0.0019g；在50N载荷下摩擦40min，复合耐磨材料的损失质量为0.0005g，复合耐磨材料的电导率为2.69×106S/m。
实施例2
混合步骤，将碳化钛粉、钛粉、铝粉按照摩尔质量比2:1:1的比例配料，称取碳化钛粉39.92g、钛粉15.96g、铝粉8.99g和石墨烯0.32g(在混合粉料中，石墨烯占比约0.5％)并进行混合，得到混合粉料，在无水乙醇介质中对混合粉料进行三维球磨，三维球磨的时间为12h。
热压烧结步骤，将三维球磨后的混合粉料进行烘干，然后取30g混合粉料放入高强石墨模具中进行热压烧结，得到石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料。热压烧结的真空度为6×10- 2Pa、升温速率为15℃/min、热压烧结的温度为1350℃、烧结压力为27Mpa、保温时间为1h。
对本实例所制备的石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料进行切割，得到13.2607g的复合耐磨材料，对复合耐磨材料依次在30N载荷和50N载荷下进行耐磨试验，其耐磨性能结果为：在30N载荷下摩擦40min，复合耐磨材料的损失质量为0.0013g；在50N载荷下摩擦40min，复合耐磨材料的损失质量为0.0002g，复合耐磨材料的电导率为4.85×106S/m。
实施例3
混合步骤，将碳化钛粉、钛粉、铝粉按照摩尔质量比2:1:1的比例配料，称取碳化钛粉39.92g、钛粉15.96g、铝粉8.99g和石墨烯0.48g(在混合粉料中，石墨烯占比约0.7％)并进行混合，得到混合粉料，在无水乙醇介质中对混合粉料进行三维球磨，三维球磨的时间为12h。
热压烧结步骤，将三维球磨后的混合粉料进行烘干，然后取30g混合粉料放入高强石墨模具中进行热压烧结，得到石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料。热压烧结的真空度为7×10- 2Pa、升温速率为25℃/min、热压烧结的温度为1350℃、烧结压力为28Mpa、保温时间为1h。
对本实例所制备的石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料进行切割，得到16.4463g的复合耐磨材料，对复合耐磨材料依次在30N载荷和50N载荷下进行耐磨试验，其耐磨性能结果为：在30N载荷下摩擦40min，复合耐磨材料的损失质量为0.0004g；在50N载荷下摩擦40min，复合耐磨材料的质量增加0.0096g(作为摩擦副的氧化锆球的硬度比试样低，摩擦发生时，发生磨损的氧化锆球，增加的质量是磨损时，磨损掉的氧化锆的粉体)，复合耐磨材料的电导率为7.41×106S/m。
实施例4
混合步骤，将碳化钛粉、钛粉、铝粉按照摩尔质量比2:1:1的比例配料，称取碳化钛粉39.92g、钛粉15.96g、铝粉8.99g和石墨烯0.64g(在混合粉料中，石墨烯占比约1％)并进行混合，得到混合粉料，在无水乙醇介质中对混合粉料进行三维球磨，三维球磨的时间为12h。
热压烧结步骤，将三维球磨后的混合粉料进行烘干，然后取30g混合粉料放入高强石墨模具中进行热压烧结，得到石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料。热压烧结的真空度为6×10- 2Pa、升温速率为25℃/min、热压烧结的温度为1350℃、烧结压力为30Mpa、保温时间为1h。
对本实例所制备的石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料进行切割，得到16.6523g的复合耐磨材料，对复合耐磨材料依次在30N载荷和50N载荷下进行耐磨试验，其耐磨性能结果为：在30N载荷下摩擦40min，复合耐磨材料的损失质量为0.0061g；在50N载荷下摩擦40min，复合耐磨材料的损失质量为0.0001g，复合耐磨材料的电导率为6.23×106S/m。
实施例5
混合步骤，将碳化钛粉、钛粉、铝粉按照摩尔质量比2:1:1的比例配料，称取碳化钛粉39.92g、钛粉15.96g、铝粉8.99g和石墨烯0.80g(在混合粉料中，石墨烯占比约1.2％)并进行混合，得到混合粉料，在无水乙醇介质中对混合粉料进行三维球磨，三维球磨的时间为12h。
热压烧结步骤，将三维球磨后的混合粉料进行烘干，然后取30g混合粉料放入高强石墨模具中进行热压烧结，得到石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料。热压烧结的真空度为5×10- 2Pa、升温速率为10℃/min、热压烧结的温度为1350℃、烧结压力为30Mpa、保温时间为1h。
对本实例所制备的石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料进行切割，得到18.9266g的复合耐磨材料，对复合耐磨材料依次在30N载荷和50N载荷下进行耐磨试验，其耐磨性能结果为：在30N载荷下摩擦40min，复合耐磨材料的损失质量为0.0012g；在50N载荷下摩擦40min，复合耐磨材料的损失质量为0.0004g，复合耐磨材料的电导率为5.56×106S/m。
实施例6
在本实施例中，除在混合粉料中，石墨烯占比与实施例5不同外，其他与实施例5相同。
称取碳化钛粉39.92g、钛粉15.96g、铝粉8.99g和石墨烯1.17g，在混合粉料中，石墨烯占比约1.8％。对本实例所制备的石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料进行切割，得到13.4616g的复合耐磨材料，对复合耐磨材料依次在30N载荷和50N载荷下进行耐磨试验，其耐磨性能结果为：在30N载荷下摩擦40min，复合耐磨材料的损失质量为0.0017g；在50N载荷下摩擦40min，复合耐磨材料的损失质量为0.0007g，复合耐磨材料的电导率为4.71×106S/m。
对比例1
对比例1除了没有向混合粉料中加入石墨烯外，其他工艺与实施例3相同。
本实例所制备的石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料的耐磨性能：在30N载荷下摩擦40min，复合耐磨材料的损失质量为0.0093g；在50N载荷下摩擦40min，复合耐磨材料的损失质量为0.0015g，复合耐磨材料的电导率为1.73×106S/m。
实施例1-6及对比例1中的试样磨损后的质量损失如下表1所示。
表1试样磨损后的质量损失表
Figure BDA0002304901650000091
通过表1可知，没有加入石墨烯的对比例1中质量减少0.0093g，而实例3中在50N的载荷下质量增加了0.0096g，证明了加入石墨烯后Ti3AlC2的耐磨性明显提高(甚至比作为摩擦副的氧化锆陶瓷还耐磨)。与单一的钛铝碳陶瓷材料(对比例1)相比较，本发明在实施例1-6中加入石墨烯后制备的石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料的耐磨性能更好，耐磨复合材料的耐磨性能有所提高，对于受电弓滑板材料来说，耐磨性能越高越好，因此，通过本发明的制备方法制备的石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料能够明显提高受电弓滑板的耐磨性能。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
本发明公开一种石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料，钛铝碳(Ti3AlC2)材料兼具有金属和陶瓷的双重性能，具有金属材料的良好导电导热性能、相对较低的硬度、高温下具有塑性和可机械加工性；同时也有陶瓷材料的高强度、低密度、优异的高温稳定性、优良的耐腐蚀性能，摩擦系数低和良好的自润滑性等特点。
将上述复合耐磨材料应用于受电弓滑板，与现有的受电弓滑板材料相比，Ti3AlC2的电阻率低，加入石墨烯后有利于提高陶瓷基复合材料的电导率，降低截留值；Ti3AlC2本身具有较高的电导率，与石墨烯复合后提高了电导率；Ti3AlC2有良好的的抗热震性，加入石墨烯后抗热震性有了极大的提高；Ti3AlC2具有良好的耐磨性，加入石墨烯后，耐磨性有显著的增强。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料，其特征在于，由如下步骤制成：
混合步骤，将钛粉，铝粉，碳化钛粉和石墨烯混合，得到混合粉料，对混合粉料进行球磨，
热压烧结步骤，将在混合步骤中完成球磨后的混合粉料放入模具中进行热压烧结，得到石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料；
烧结后的所述钛粉、所述铝粉和所述碳化钛粉形成Ti3AlC2；
在所述混合粉料中，按质量百分比，钛粉、铝粉和碳化钛粉共占比98％-99.8％，石墨烯占比0.2％-2％；
所述钛粉的纯度大于99.99％，所述钛粉的粒度为45μm-75μm；所述铝粉的纯度大于99％，所述铝粉的粒度为45μm-75μm；所述碳化钛粉的纯度大于99.99％，所述碳化钛粉的粒度为20μm-45μm。
2.根据权利要求1所述的复合耐磨材料，其特征在于，
在所述混合步骤中，所述碳化钛粉、所述钛粉和所述铝粉的摩尔质量比为2:1:1。
3.根据权利要求1所述的复合耐磨材料，其特征在于，
所述石墨烯为片状单层结构，所述石墨烯的片径为4μm-5μm、厚度为3-10nm。
4.根据权利要求1所述的复合耐磨材料，其特征在于，
在所述混合步骤中，所述球磨的时间为10-16小时。
5.根据权利要求1所述的复合耐磨材料，其特征在于，
在所述混合步骤中，球磨时在无水乙醇介质中进行三维球磨。
6.根据权利要求1所述的复合耐磨材料，其特征在于，
在所述热压烧结步骤中，烧结条件为真空，真空度为5×10-2Pa-7×10-2Pa，升温速率为10-25℃/min，加热到1300℃-1350℃进行烧结，烧结压力为25-30Mpa，保温时间为40min-1h。
7.根据权利要求1所述的复合耐磨材料，其特征在于，
在所述热压烧结步骤中，进行热压烧结所用所述模具为高强石墨模具。
8.根据权利要求1所述的复合耐磨材料，其特征在于，
所述石墨烯-钛铝碳复合耐磨材料用于制作受电弓滑板。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111809072A (zh) * 2020-07-09 2020-10-23 南昌航空大学 一种石墨烯增强Ti2AlNb复合材料的制备方法
CN113233464A (zh) * 2021-06-03 2021-08-10 北京理工大学前沿技术研究院 一种高纯度钛碳化铝及其制备方法和应用

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1219090C (zh) * 2003-04-29 2005-09-14 中国科学院金属研究所 一种长寿命自润滑银基电接触材料
WO2008071793A1 (en) * 2006-12-15 2008-06-19 Abb Research Ltd Contact element
CN100465134C (zh) * 2007-02-09 2009-03-04 上海大学 低温无压烧结制备致密Ti3AlC2陶瓷的方法
CN101100383A (zh) * 2007-07-31 2008-01-09 陕西科技大学 一种钛铝碳三元层状可加工陶瓷材料的制备方法
CN104789808A (zh) * 2015-04-29 2015-07-22 陕西理工学院 一种钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料及其制备方法
CN106191497B (zh) * 2016-08-16 2018-06-05 泉州市鸿运生态农业发展有限公司 一种铜基受电弓滑板复合材料的制备方法
CN107311665A (zh) * 2017-07-04 2017-11-03 黑龙江科技大学 石墨烯掺杂ZrB2‑SiC复合陶瓷及其制备方法
CN109487104A (zh) * 2017-09-09 2019-03-19 洪诗锐 一种高性能陶瓷
CN109251033A (zh) * 2018-10-29 2019-01-22 河南工业大学 一种微波合成Ti2AlC块体材料的方法
CN109182816A (zh) * 2018-11-02 2019-01-11 蚌埠学院 一种Cu-Ti3AlC2复合材料及其制备方法

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