CN117403090A - 一种石墨烯改性铜基碳系机车受电弓滑板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯改性铜基碳系机车受电弓滑板及其制备方法，属于纳米材料领域。该方法通过对铜复合冶金粉末进行石墨烯改性得到电力机车受电弓滑板，本制备方法将比重差距大的固体混合分散均匀，将比重很轻的容易团聚的无缺陷石墨烯均匀稳定地分散在比重较大的铜基碳系复合粉体中，保证了石墨烯改性铜基碳系复合粉体的混合均匀性，与目前已有产品比较，本方法制备的高速电力机车受电弓滑板导电性能大幅度提升、抗电弧烧伤性能好；减摩耐磨性大幅度提升、环境适应性强，产品寿命增加两倍以上；自润滑性良好，不伤导线；生产设备简单，生产周期短，工艺简单，适合于规模化生产。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料领域，具体涉及一种石墨烯改性铜基碳系机车受电弓滑板及其制备方法。
背景技术
高速电力机车运行是靠高压电源给高速电机驱动机车高速运行，而高压导线和高速机车间需要有一种将导线的高压电源和高速机车组相连通并在时速300～400公里的时速时不间断受流供电的部件。连通高速机车和高压导线的重要部件就是高速铁路动车组受电弓滑板。该部件要适应高速摩擦、抗电弧烧灼、高导电、耐高温、抗冲击、自润滑而自身又要有一定的耐磨使用寿命。一般情况下，高速电力机车受电弓在高速状态下安全运行8～10万公里需要更换一次，高速电力机车正常运行差不多三个月就需要更换一次。受电弓滑板材料经历了纯金属滑板、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，重量大；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时，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；近年来，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，急需研制开发碳纳米管、碳纤维、石墨烯等碳系材料新型滑板。
已经发现有用氧化还原石墨烯包覆制备受电弓滑板的专利产品，该产品的确使受电弓滑板导电性能和抗电弧烧伤性能提升，减摩耐磨性也有提升，产品寿命有所增加，但由于氧化石墨烯的天然缺陷使其达不到其他制备方法所得石墨烯的性能，有必要使用无缺陷石墨烯对受电弓滑板材料改性来最大程度提升其性能；无缺陷石墨烯虽然是世界上目前电导率和热导率性能最好的材料，但也正因为这些超强性能说明了其分子间的超强范德华力，导致其分散困难而难以应用。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，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石墨烯滑板的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种石墨烯改性铜基碳系机车受电弓滑板制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1：将具有自润滑特性的MoS2（二硫化钼）粉体材料（1微米粒度，10000目），球形石墨粉体材料（10微米粒度，1300目）与碳化硅粉体材料（10微米粒度，1300目），以及铜粉（20微米粒度，500目）按照体积比3～5：5～10：20～25：40～50的比例放入机械球磨搅拌机内混合搅拌24小时，得到均匀的铜基碳系复合粉体；
S2：将石墨烯粉体和特定分散剂放入加热到50℃的耐高温坩埚中，用1500W以上的大功率超声波分离机振动进行充分分散30～60分钟，然后放入高剪切分散机进一步分散60～90分钟，在真空烘干箱中100℃的条件下烘干30分钟，得到分散石墨烯粉体；
S3：将步骤S1所述制得的基础铜基碳系复合粉体和步骤S2分散后的石墨烯粉体按照体积比200：1至20：1的比例进行配料，再次加入特定分散剂装入真空搅拌机混合搅拌60～90分钟，使混合粉料在容器中呈可流动的状态（以静止时不分层为标准），制得最终的石墨烯改性铜基碳系复合粉体；
S4：将步骤S3中所得最终的石墨烯改性铜基碳系复合粉体烘干后装入滑板模具中，热压烧结，烧结后出炉，即得到所述的复合受电弓滑板。
作为优选，热压烧结温度为750～980℃，压力为100～150kgf/cm2；保温40～90分钟。
作为优选，特定分散剂为羧甲基纤维素钠，硬脂酸钠，聚羧酸中的任意一种或几种组合。
本发明的有益效果如下：
（1）利用本发明制备的石墨烯改性受电弓滑板，其综合性能良好，减摩耐磨性大幅度提升、环境适应性强，产品寿命增加两倍以上，经石墨烯改性的受电弓滑板导电性能大幅度提升，且抗电弧烧伤性能也得以加强；同时该滑板自润滑性良好，对导线伤害小。
（2）本发明的制备方法将比重差距大的固体混合分散均匀，将比重很轻的容易团聚的无缺陷石墨烯均匀稳定地分散在比重较大的铜基碳系复合粉体中，保证了石墨烯改性铜基碳系复合粉体的混合均匀性，使制备的复合受电弓滑板内各成分分散均匀，以利于各成分的功效的实现。
附图说明
图1为本发明提供的受电弓滑板制备流程图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明的一种石墨烯改性铜基碳系机车受电弓滑板制备方法首先通过一定配比制备铜基碳系复合粉体，然后利用分散石墨烯粉体对复合粉体进行石墨烯改性，再经过热压烧结后得到石墨烯铜基复合粉末及受电弓滑板，步骤具体如下：
1）铜基碳系粉体配方：首先将5体积份MoS2粉体、5体积份球形石墨烯粉体、20体积份碳化硅粉体、以及40体积份铜粉，放入混料容器中，用三维混料机进行机械球磨24小时，得到均匀的铜基碳系复合粉体；
2）称量石墨烯粉体重量0.5%的分散剂和石墨烯粉体置于50℃的耐高温坩埚中用1500W超声波分离机震动分散30分钟，然后放入高剪切分散机进一步分散 60分钟，在真空烘干箱中100℃的条件下烘干30分钟，形成分散石墨烯粉体；
3）将1）和2）得到的两种粉体材料按照体积比40:1的比例进行配料，再次加入特定分散剂装入真空搅拌机混合搅拌60分钟，制得最终的石墨烯改性铜基碳系复合粉体。
4）将以上所得粉体加入滑板模具中，热压烧结，烧结温度为750℃，保温40分钟，压力为100kgf/cm2，获得所要石墨烯改性受电弓滑板。
实施例2
1）铜基碳系粉体配方：首先将5体积份MoS2粉体、10体积份球形石墨粉体、20体积份碳化硅粉体、以及50体积份铜粉，放入混料容器中，用三维混料机进行机械球磨24小时，得到均匀的铜基碳系复合粉体；
2）称量石墨烯粉体重量0.5%的分散剂和石墨烯粉体置于50℃的耐高温坩埚中用1500W超声波分离机震动分散30分钟，然后放入高剪切分散机进一步分散 60分钟，在真空烘干箱中100℃的条件下烘干30分钟，得到分散石墨烯粉体；
3）将1）和2）得到的两种粉体材料按照体积比40:1的比例进行配料，再次加入特定分散剂装入真空搅拌机混合搅拌60分钟，制得最终的石墨烯改性铜基碳系复合粉体。
4）将以上所得粉体加入滑板模具中，热压烧结，烧结温度为980℃，保温40分钟，压力为150kgf/cm2，获得所要石墨烯改性受电弓滑板。
实施例3
1）铜基碳系粉体配方：首先将5体积份MoS2粉体、10体积份球形石墨粉体、25体积份碳化硅粉体、以及40体积份铜粉，放入混料容器中，用三维混料机进行机械球磨24小时；
2）称量石墨烯粉体重量2%的分散剂和石墨烯粉体置于50℃的耐高温坩埚中用1500W超声波分离机震动分散30分钟，然后放入高剪切分散机进一步分散 60分钟，在真空烘干箱中100℃的条件下烘干30分钟，得到分散石墨烯粉体；
3）将1）和2）得到的两种粉体材料按照体积比40:1的比例进行配料，再次加入特定分散剂装入真空搅拌机混合搅拌60分钟，制得最终的石墨烯改性铜基碳系复合粉体。
4）将以上所得粉体加入滑板模具中，热压烧结，烧结温度为980℃，保温40分钟，压力为100kgf/cm2，获得所要石墨烯改性受电弓滑板。
实施例4
1）铜基碳系粉体配方：首先将10体积份MoS2粉体、10体积份球形石墨粉体、15体积份碳化硅粉体、以及50体积份铜粉，放入混料容器中，用三维混料机进行机械球磨24小时；
2）称量石墨烯粉体重量2%的分散剂和石墨烯粉体置于50℃的耐高温坩埚中用1500W超声波分离机震动分散30分钟，然后放入高剪切分散机进一步分散 60分钟，在真空烘干箱中100℃的条件下烘干30分钟，得到分散石墨烯粉体；
3）将1）和2）得到的两种粉体材料按照体积比40:1的比例进行配料，再次加入特定分散剂装入真空搅拌机混合搅拌60分钟，制得最终的石墨烯改性铜基碳系复合粉体。
4）将以上所得粉体加入滑板模具中，热压烧结，烧结温度为980℃，保温40分钟，压力为100kgf/cm2，获得所要石墨烯改性受电弓滑板。
实施例5
1）铜基碳系粉体配方：首先将10体积份MoS2粉体、10体积份球形石墨粉体、25体积份碳化硅粉体、以及50体积份铜粉，放入混料容器中，用三维混料机进行机械球磨24小时；
2）称量石墨烯粉体重量5%的分散剂和石墨烯粉体置于50℃的耐高温坩埚中用1500W超声波分离机震动分散30分钟，然后放入高剪切分散机进一步分散 60分钟，在真空烘干箱中100℃的条件下烘干30分钟，得到分散石墨烯粉体；
3）将1）和2）得到的两种粉体材料按照体积比40:1的比例进行配料，再次加入特定分散剂装入真空搅拌机混合搅拌60分钟，制得最终的石墨烯改性铜基碳系复合粉体。
4）将以上所得粉体加入滑板模具中，热压烧结，烧结温度为980℃，保温40分钟，压力为100kgf/cm2，获得所要石墨烯改性受电弓滑板。
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因为MoS2粉体和球形石墨粉体的加入提升了受电弓滑板的自润滑性，碳化硅的加入，提高滑板的抗折力学性能；石墨烯的加入使本已有的低电阻率铜基复合材料进一步降低了电阻率，使电力机车的效率大幅度提升，同时还提高滑板的强度和耐磨性等力学性能，且进一步改善自润滑性。
表1 石墨烯改性受电弓滑板样品性能
| 案例 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 铁道部技术要求 |
| 密度(g/cm3) | 1.97 | 1.72 | 1.7 | 1.69 | 1.63 | ≤2.1 |
| 20oC电阻率（ΩM） | 3.17*10-6 | 2.87*10-6 | 1.24*10-6 | 1.27*10-6 | 9.63*10-7 | ≤10-5 |
| 接触电阻（mΩ） | 0.75 | 0.75 | 0.55 | 0.55 | 0.17 | ≤2 |
| 肖氏硬度（HS） | 69 | 70 | 83 | 90 | 98 | 60-100 |
| 抗折强度(MPa) | 185 | 206 | 297 | 358 | 604 | ≥45 |
| 抗压强度(MPa) | 259 | 262 | 354 | 398 | 680 | ≥60 |
| 剪切强度(MPa) | 28 | 29 | 38 | 52 | 76 | ≥4.0 |
| 冲击韧性(J/cm3) | 0.35 | 0.37 | 0.59 | 0.72 | 1.15 | ≥0.1 |
| 接触线耗比(mm2/万弓架次) | 0.0031 | 0.0031 | 0.0027 | 0.0018 | 0.0011 | ≤0.015 |
| 滑板高度磨耗比(mm /万机车公里) | 0.83 | 0.81 | 0.62 | 0.47 | 0.29 | ≤12 |
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 (8)
1.一种石墨烯改性铜基碳系机车受电弓滑板制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将3～5体积份数二硫化钼粉体材料、5～10体积份数球形石墨粉体材料、20～25体积份数碳化硅粉体材料、40～50体积份数铜粉放入机械球磨搅拌机内混合搅拌24小时，得到均匀的铜基碳系复合粉体。
2.S2：将石墨烯粉体和分散剂放入加热到50℃的耐高温坩埚中，用1500W以上的大功率超声波分离机振动进行充分分散30～60分钟，然后放入高剪切分散机进一步分散 60～90分钟，在真空烘干箱中100℃的条件下烘干30分钟，得到分散石墨烯粉体。
3.S3：将步骤S1所述制得的基础铜基碳系复合粉体和步骤S2分散后的石墨烯粉体按照体积比200：1至20：1的比例进行配料，再次加入特定分散剂装入真空搅拌机混合搅拌60～90分钟，使混合粉料在容器中呈可流动的状态，制得最终的石墨烯改性铜基碳系复合粉体。
4.S4：将步骤S3中所得最终的石墨烯改性铜基碳系复合粉体烘干后装入滑板模具中，热压烧结，热压烧结时温度为750～980℃，压力为100～150kgf/cm2，保温40～90分钟，出炉得到石墨烯改性铜基碳系机车受电弓滑板。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性铜基碳系机车受电弓滑板制备方法，其特征在于，所述二硫化钼粉体材料为1微米粒度，10000目，球形石墨粉体材料为10微米粒度，1300目，碳化硅粉体材料为10微米粒度，1300目，铜粉为20微米粒度，500目。
6.根据权利要求2所述的一种石墨烯改性铜基碳系机车受电弓滑板制备方法，其特征在于，所述步骤2中分散剂的加入比例为石墨烯粉体重量的0.5%～5%。
7.根据权利要求3所述的一种石墨烯改性铜基碳系机车受电弓滑板制备方法，其特征在于，所述分散剂为羧甲基纤维素钠，硬脂酸钠，聚羧酸中的任意一种或几种组合。
8.一种石墨烯改性铜基碳系机车受电弓滑板，其特征在于，所述受电弓滑板由权利要求1-4任一所述的制备方法制成。
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