一种螺旋纳米碳纤维增强受电弓滑板的制备方法与流程

1.本发明涉及电力机车受电弓滑板技术领域，具体涉及一种螺旋纳米碳纤维增强受电弓滑板的制备方法。


背景技术：

2.受电弓滑板是电力机车获取电能的关键部件，它与接触网导线直接接触获取电流，电流大小一般为100a~1000a。受电弓滑板与电力机车以相同的速度行进，且暴露在外界复杂恶劣的环境中，这就要求受电弓滑板具有一定的自润滑性能和减磨性。因此，滑板性能关乎电力机车的行车安全，一旦失效将产生严重的安全事故。
3.随着铁路高速化的发展，对滑板的要求越来越苛刻。传统的碳滑板自身磨耗大，使用寿命短，同时机械强度低，耐冲击韧性差，界面通过机械互锁连接在一起，易出现断裂、掉块现象，极易引起严重的弓网事故。同时，传统的滑板浸金属工艺未能完全将碳滑板内孔隙填充，碳滑板内的气体被压缩在滑板内，影响滑板的整体性能。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种螺旋纳米碳纤维增强受电弓滑板的制备方法，以解决现有技术中受电弓滑板自身磨耗大、机械强度低、耐冲击韧性差、安全性能差的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种螺旋纳米碳纤维增强受电弓滑板的制备方法，包括以下步骤：1）将碳化硅粉、沥青焦粉和石墨粉混合，再加入螺旋纳米碳纤维和铜粉混合料继续混合，加入熔化的高温沥青，在130℃~170℃下均匀混合1.5~2.5h，将混合后的物料倒入模具中模压成型，自然冷却得到碳滑板毛坯，将毛坯进行焙烧得到碳滑板；其中，原料按照以下重量份数进行配置：碳化硅粉5~15份、沥青焦粉50~60份、石墨粉5~10份、高温沥青25~30份、螺旋纳米碳纤维和铜粉的混合物5~10份；2）将步骤1）得到的碳滑板置于与浸渍罐相连的真空罐中抽真空，在900℃~1100℃下预热2~3小时，通入空气冷却后，再次进行抽真空，将碳滑板放入装有铜液的浸渍罐中关闭浸渍罐，通入氮气加压至100kg/cm2，并在该压强下保温3~5分钟使铜液渗透浸入碳滑板孔隙中，泄压后将碳滑板取出，冷却后得到所述受电弓滑板。
6.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1、本发明利用螺旋纳米碳纤维具有普通平直碳纤维的高强度、耐热性、耐高温、耐腐蚀、耐磨擦、导电等优异性能，螺旋纳米碳纤维特殊的螺旋结构能缠绕更多的母料，增强滑板的力学性能，滑板中分散均匀的螺旋纳米碳纤维形成三维导电网络，降低滑板的电阻率；在原料组分中加入了螺旋纳米碳纤维和铜粉混合料制备，混合料能很好的分散，螺旋纳米碳纤维特殊的螺旋结构能与骨料更好的结合，增强滑板的综合性能。
7.2、本发明采用十二烷基苯磺酸钠修饰的螺旋纳米碳纤维表面活性点多，表面的羟
基、羧基和十二烷基苯磺酸基团等能增强螺旋纳米碳纤维与铜基体的结合，进而增强滑板的强度。
8.3、本发明在浸铜工艺前将碳滑板抽真空除去滑板内的气体，避免预热时碳滑板表面在1000℃高温下部分被氧化，同时还能够避免气体在浸铜液过程中被压缩至滑板内，导致浸铜不充分，影响滑板的性能。
具体实施方式
9.下面将结合实施例对本发明作进一步说明。
10.一、一种螺旋纳米碳纤维增强受电弓滑板的制备方法1）将碳化硅粉、沥青焦粉和石墨粉混合60min，再加入螺旋纳米碳纤维和铜粉混合料继续混合30min，加入熔化的高温沥青，在150℃下均匀混合2h，将混合后的物料倒入模具中模压成型，自然冷却得到碳滑板毛坯，将毛坯进行焙烧得到碳滑板；其中，原料按照以下重量份数进行配置：碳化硅粉5~15份、沥青焦粉50~60份、石墨粉5~10份、高温沥青25~30份、螺旋纳米碳纤维和铜粉的混合物5~10份。
11.其中，螺旋纳米碳纤维经过改进的hummers法进行预处理后再使用。将螺旋纳米碳纤维加入王水中，在210w下超声处理60min，然后将溶液置于冰水浴中搅拌4小时，再缓慢添加kmno4并搅拌4小时；加入50ml去离子水和5mlh2o2溶液，将悬浮液过滤，用去离子水将其洗涤至中性后在80℃干燥箱中干燥24小时，得到预处理后的螺旋纳米碳纤维。螺旋纳米碳纤维与kmno4的质量比为1:2。
12.将螺旋纳米碳纤维配置成1g/ml的分散液（可采用水或乙醇作为溶剂进行分散液的配制），加入与螺旋纳米碳纤维等质量的十二烷基苯磺酸钠后搅拌均匀，再加入与螺旋纳米碳纤维等质量的纳米铜粉，在超声波清洗器中超声至干燥粉末，得到分散均匀的螺旋纳米碳纤维和铜粉混合料。通过十二烷基苯磺酸钠修饰的螺旋纳米碳纤维表面活性点多，表面的羟基、羧基和十二烷基苯磺酸基团等能增强螺旋纳米碳纤维与铜基体的结合，进而增强滑板的强度。
13.2）将步骤1）得到的碳滑板置于与浸渍罐相连的真空罐中抽至真空度为100pa，预热前进行抽真空，能够避免碳滑板被高温氧化，在1000℃下预热2~3小时，通入空气冷却后，再次进行抽真空，抽至真空度为100pa，预热后再次抽真空能够抽掉碳滑板孔隙内的气体，使其在浸铜时铜液能够更加充分的进入碳滑板中，避免浸铜时碳滑板内的气体被压缩在滑板内，因为气体在浸铜时极易被压缩至碳滑板内，这会大幅度降低滑板的抗折强度和抗压强度，甚至还会导致碳滑板出现易断裂的风险。将碳滑板放入装有铜液的浸渍罐中关闭浸渍罐，通入氮气加压至100kg/cm2，并在该压强下保温3~5分钟使铜液渗透浸入碳滑板孔隙中，泄压后将碳滑板取出，冷却后得到所述受电弓滑板。
14.在对现有受电弓碳滑板及其制备方法进行研究时发现，采用现有技术制备得到的碳滑板机械强度低、耐冲击韧性差，这就导致在实际使用的过程中碳滑板的自身磨损非常严重，碳滑板的使用寿面很短，碳滑板通过机械互锁连接在一起，也很容易出现断裂、掉块现象，极易引起严重的弓网事故。针对这些问题，本发明对碳滑板的原料组分进行改进，采用不同的碳原料制备碳滑板，并对其性能进行测定，在这一研究过程中意外发现，采用螺旋纳米碳纤维为原料所制备的碳滑板竟然具有非常优秀的综合性能，无论是在导电性还是在
抗破损性，都要明显优于其他碳材料。深入研究后发现，这是由螺旋纳米碳纤维特殊的结构所带来的效果，螺旋纳米碳纤维除了具有普通平直碳纤维的高强度、耐热性、耐高温、耐腐蚀、耐磨擦、导电等优异性能，还具有特殊的螺旋结构，这种特殊的螺旋结构使得螺旋纳米碳纤维能够缠绕更多的母料，从而提升了碳滑板的力学性能；同时，在实验中还发现，普通平直碳纤维在碳滑板中的分散性较差，通过观察发现，相较于普通平直碳纤维，螺旋纳米碳纤维在碳滑板中分散得更加均匀，能够在碳滑板中形成三维导电网络，进一步降低碳滑板的电阻率，使碳滑板具有更优异的导电性。本发明在深入研究后还意外发现，加入十二烷基苯磺酸钠竟然会对碳滑板的性能起到更进一步的提升，将螺旋纳米碳纤维与十二烷基苯磺酸钠预先混合均匀，再与铜粉混合进行碳滑板的制备，得到的碳滑板在电阻率、冲击韧性、抗折强度和抗压强度等性能上都有了非常显著的提升，进一步研究后发现，采用十二烷基苯磺酸钠修饰的螺旋纳米碳纤维，能够使螺旋纳米碳纤维表面活性点增加，螺旋纳米碳纤维表面的羟基、羧基和十二烷基苯磺酸等基团能够增强螺旋纳米碳纤维与铜基体的结合，这一点体现在碳滑板的性能上就是碳滑板的抗折强度和抗压强度有了非常显著的提升。在对碳滑板的制备工艺进行研究时发现，在浸金属这一步未能使金属完全填充碳滑板，通过观察发现，在经过现有浸金属工艺后，碳滑板的内部形成了一定数量的气泡，由于碳滑板内部具有孔隙，这些孔隙中残留有不少气体，在浸金属的过程中这些气体无法排出就被金属液压缩至碳滑板的内部，这一现象导致碳滑板的整体性能出现下降。为此，本发明考虑在浸金属这一工艺中加入抽真空这一条件，在实际制备过程中意外发现，碳滑板表面在1000℃的高温下会出现部分氧化现象，而在预热前进行抽真空处理竟然能避免这一现象的发生，并且，预热后再次抽真空能够抽掉碳滑板孔隙内的气体，使其在浸铜液的过程中铜液能够更加充分的进入碳滑板中，避免残留在孔隙内的气体在这一过程中被压缩至碳滑板内部，从而对其整体性能造成不良的影响。
15.二、实施例和对比例采用上述方法，根据表1中原料配比，制备实施例1~5。
16.表1（以下均为重量份数）
实施例碳化硅粉沥青焦粉石墨粉高温沥青螺旋纳米碳纤维和铜粉混合料15505255256010255310501025641060530851560103010
采用上述方法，根据表2中原料配比，制备对比例1~2。
17.表2
对比例碳化硅粉沥青焦粉石墨粉高温沥青碳纤维的种类碳纤维和铜粉混合料1550525普通碳纤维（没有使用十二烷基苯磺酸钠处理）52550525螺旋纳米碳纤维（没有使用十二烷基苯磺酸钠处理）5
对比例3与实施例1的原料配比和制备方法完全相同，不同之处在于，对比例3没有进行抽真空处理。
18.对实施例1~5和对比例的性能进行检测。测试标准为：tbt 1842.2
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2016 受电弓滑板第2部分：碳基复合材料滑板。
19.表3 实施例1~5制备的复合滑板的性能
样品体积密度（g/cm3）电阻率（μωm）冲击韧性（j/cm2）抗折强度（mpa）抗压强度（mpa）实施例12.85.70.2191198实施例22.84.90.2190201实施例33.15.10.2394210实施例42.95.20.2592202实施例53.05.50.2691199对比例12.96.80.2083186对比例22.86.10.2186190对比例32.96.40.2081189
将表1~3结合分析可以看出，采用普通碳纤维的对比例1与实施例1相比，电阻率出现了显著提升，对比例1的导电性能出现了明显下降，而且，抗折强度和抗压强度相较于实施例1都出现了大幅度的下降，这正是由于螺旋纳米碳纤维具有特殊的螺旋结构，这种特殊螺旋结构能够缠绕更多的母料，显著增强碳滑板的力学性能，在碳滑板中分散均匀的螺旋纳米碳纤维能够形成稳定的三维导电网络，大幅度降低滑板的电阻率。同时，实施例还采用十二烷基苯磺酸钠来修饰螺旋纳米碳纤维，使其表面活性点增多，在螺旋纳米碳纤维表面的羟基、羧基和十二烷基苯磺酸基团等能增强螺旋纳米碳纤维与铜基体的结合，进而增强滑板的强度，从实施例1和对比例2能够明显看出，加入了十二烷基苯磺酸钠的实施例1电导率、抗折强度和抗压强度都优于对比例2，虽然螺旋纳米碳纤维具有的特殊螺旋结构能够显著增强碳滑板的力学性能，对比例2的导电性、抗折强度和抗压强度优于对比例1，但没有配合十二烷基苯磺酸钠的使用，其对碳滑板力学性能的改善效果仍然非常有限。在研究中发现，预热前不抽真空会导致碳滑板表面在1000℃高温下部分被氧化，在浸铜时气体会被压缩至碳滑板内部，导致碳滑板的抗折强度和抗压强度出现大幅度降低，对比例3由于没有进行抽真空处理，其抗折强度和抗压强度与实施例1相比都有非常显著的降低，同时，在实际应用中还发现，对比例3比其他实施例和对比例更容易出现断裂现象，存在较为严重的安全隐患。
20.本发明利用螺旋纳米碳纤维具有普通平直碳纤维的高强度、耐热性、耐高温、耐腐蚀、耐磨擦、导电等优异性能，螺旋纳米碳纤维还具有特殊的螺旋结构，能够缠绕更多的母料，增强滑板的力学性能，滑板中分散均匀的螺旋纳米碳纤维形成三维导电网络，降低滑板的电阻率；在原料组分中加入了螺旋纳米碳纤维和铜粉混合料制备，混合料能很好的分散，螺旋纳米碳纤维特殊的螺旋结构能与骨料更好的结合，增强滑板的综合性能；本发明还采用十二烷基苯磺酸钠修饰的螺旋纳米碳纤维表面活性点多，表面的羟基、羧基和十二烷基苯磺酸基团等能增强螺旋纳米碳纤维与铜基体的结合，进而增强滑板的强度。本发明在浸铜工艺前将碳滑板抽真空除去滑板内的气体，避免预热时碳滑板表面在1000℃高温下部分被氧化，同时还能够避免气体在浸铜液过程中被压缩至滑板内，导致浸铜不充分，影响滑板的性能。
21.最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。