一种碳纳米纤维增强受电弓复合碳滑板及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纳米纤维增强受电弓复合碳滑板及其制备方法，采用碳纳米纤维与分析纯的酚醛树脂制备弱极性的碳纳米纤维‑“胶体系”，用于改性煤沥青的粘结剂体系，以减少微裂纹的产生并辅助滑板材料形成铜“骨架”结构；采用双螺旋热挤压、隔氧焙烧、铜溶液浸渍获得碳纳米纤维增强的受电弓复合碳滑板。本发明专利技术可以减少微裂纹产生并在碳滑板材料中实现铜“骨架”结构，较少的微裂纹和铜“骨架”不仅增强了滑板的机械强度，而且铜“骨架”结构加快了滑板散热，提高了滑板耐电弧烧蚀能力。

A carbon nanofibre reinforced pantograph composite carbon slide plate and its preparation method

The invention discloses a carbon nanofibre reinforced pantograph composite carbon slide plate and its preparation method. Weak polarity carbon nanofibers \colloidal system\ is prepared by carbon nanofibers and analytically pure phenolic resin, which is used to modify the binder system of coal tar pitch to reduce the generation of microcracks and assist the slide plate material to form a copper \skeleton\ structure; double helix hot extrusion and oxygen insulation roasting are adopted. The pantograph composite carbon slide plate reinforced by carbon nanofibers was obtained by sintering and dipping in copper solution. The invention can reduce the generation of micro-cracks and realize the copper \skeleton\ structure in the carbon slide plate material. The less micro-cracks and the copper \skeleton\ not only enhance the mechanical strength of the slide plate, but also accelerate the heat dissipation of the slide plate and improve the arc ablation resistance of the slide plate.

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米纤维增强受电弓复合碳滑板及其制备方法
本专利技术涉及电工材料
，具体为一种碳纳米纤维增强受电弓复合碳滑板及其制备方法。
技术介绍
受电弓滑板作为高速列车获取能量的关键集电元件，其良好的服役性能是保障高速列车安全、可靠运行的根本。随着列车运行速度、运行密度和牵引功率的大幅提高，弓网系统冲击振动显著加剧，弓网间电弧频繁，导致滑板异常磨耗甚至断裂，造成故障频发。研究表明，高速铁路受电弓滑板故障的根本原因在于，现有浸金属滑板材料的碳相、粘结剂相、金属相结合简单，导致碳-碳层间、层面结合力弱，碳-铜熔融体易分离，使得滑板内部微裂纹缺陷在冲击振动时迅速生长，致使其强度、韧性、耐电弧侵蚀能力难以满足长时间、高速度、大电流的工况要求。针对碳-碳层间、层面结合力弱的问题，国内外学者尝试将碳纤维引入碳基材料，发现能够一定程度上增强脆性碳石墨材料力学性能，但由于碳纤维与粘结剂相容性较差，碳纤维难以跟随粘结剂进入骨料碳之间，其改性效果有限。碳纳米纤维比普通碳纤维具有更高的界面剪切和拉伸断裂强度，且其丰富的界面结构可有效吸附粘结剂中小分子，减少碳化过程中由于材料挥发导致的先天性微裂纹。同时，碳纳米纤维的纳米尺寸结构优势使得其易随粘结剂均匀进入碳骨料之间，在滑板材料中构建“骨架”结构，进而增强受电弓滑板材料层间的结合强度。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种碳纳米纤维增强的受电弓复合碳滑板的制备思路与方法，采用碳纳米纤维与酚醛树脂充分融合的碳纳米纤维-“胶体系”制备受电弓复合碳滑板，从而减少碳化过程中因材料挥发导致的先天性微裂纹，在碳滑板材料中形成“骨架”结构，进而增强受电弓滑板材料的结合强度。技术方案如下：一种碳纳米纤维增强受电弓复合碳滑板，其材料配比为：以重量百分比计，碳纳米纤维占1wt%~5wt%；酚醛树脂占10wt%~20wt%；煤沥青占5wt%~30wt%，铜粉占3wt%~15wt%，其余为碳质粉料。进一步的，所述碳质粉料包括石墨、焦炭和炭黑，其中石墨占60wt%~80wt%，焦炭占5wt%~10wt%，炭黑占0~10wt%。更进一步的，所述碳纳米纤维直径为20~100nm，长度为2μm~10μm。一种碳纳米纤维增强受电弓复合碳滑板的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将碳纳米纤维添加入溶剂中，分散均匀；步骤2：将酚醛树脂添加到步骤1得到的溶液中，然后搅拌均匀，制得弱极性的碳纳米纤维-“胶体系”；步骤3：将上述弱极性的碳纳米纤维-“胶体系”通过喷洒的方式引入到煤沥青中，经恒温熔融、机械混匀、静置软化后制得碳纳米纤维改性粘结剂体系；步骤4：将制得的碳纳米纤维改性粘结剂体系与增强相混捏，制得糊料体系；步骤5：经强力混合、轧片后磨粉、糊料预热、双螺旋混捏后直接一次性热挤压和隔氧焙烧制得受电弓纯炭滑板材料；步骤6：制得受电弓纯碳滑板材料后，采用铜熔融金属溶液作为浸渍液，采用压力浸渍的方式制得碳纳米纤维增强受电弓复合碳滑板。更进一步的，所述步骤1中的溶剂采用两亲型甲缩醛，通过超声波振荡1-2h将碳纳米纤维均匀分散其中。更进一步的，所述步骤2中，选择两亲型甲缩醛添加到碳纳米纤维-“胶体系”中，采用超声波振荡1-2h使碳纳米纤维-“胶体系”均匀分散。更进一步的，所述步骤4中所述增强相为超细沥青焦、人造石墨和焦粉。更进一步的，所述步骤5中隔氧焙烧的终温为1150-1200℃。更进一步的，所述步骤5中热挤压采用的工艺是双螺旋热挤压工艺。更进一步的，所述步骤6中，采用氩气作为加压载体。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用碳纳米纤维增强受电弓复合碳滑板，可以减少微裂纹产生并在碳滑板材料中实现铜“骨架”结构，微裂纹的减少有助于提高滑板的机械强度，铜“骨架”结构不仅增强了滑板机械强度，还因其散热加强，使得滑板耐电弧烧蚀能力也得到提升。附图说明图1为本专利技术的碳纳米纤维增强受电弓复合碳滑板的制备流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。一种碳纳米纤维增强受电弓复合碳滑板，其特征在于，其材料配比为：以重量百分比计，碳纳米纤维占1wt%~5wt%；酚醛树脂占10wt%~20wt%；煤沥青占5wt%~30wt%，铜粉占3wt%~15wt%，其余为碳质粉料。所述碳质粉料包括石墨、焦炭和炭黑，其中石墨占60wt%~80wt%，焦炭占5wt%~10wt%，炭黑占0~10wt%。所述碳纳米纤维直径为20~100nm，长度为2μm~10μm。采用两亲型甲缩醛使得碳纳米纤维的局部表面上兼具类似“双面胶”的特征。选择碳纳米纤维和分析纯级酚醛树脂制得最佳的碳纳米纤维-“胶体系”。再将此弱极性的碳纳米纤维-“胶体系”体系引入到粘结剂煤沥青体系中，经恒温熔融、机械混匀、静置软化后制得碳纳米纤维改性粘结剂体系，具体步骤如下：将碳纳米纤维体系加一定比例的两亲型甲缩醛进行稀释，并采用超声波振荡1-2h；选择适量“分析纯级酚醛树脂-固化剂”作为胶体系添加到上述碳纳米纤维的甲缩醛中，使得碳纳米纤维的局部表面上兼具类似“双面胶”的特征和纳米效应。为实现碳纳米纤维-“胶体系”在粘结剂相及其前驱体煤沥青中的有效分散，选择适量的甲缩醛添加到碳纳米纤维-“胶体系”中，采用超声波辅助法将碳纳米纤维-“胶体系”再次均匀分散，制得弱极性的碳纳米纤维体系。最后再将此弱极性的碳纳米纤维体系采取喷洒方式或直接添加方式引入到粘结剂煤沥青体系中，经恒温熔融、机械混匀、静置软化后制得碳纳米纤维改性粘结剂体系。将制得的碳纳米纤维改性粘结剂体系与超细沥青焦、人造石墨和添加剂等增强相混捏，制得相对均匀的糊料体系。再经强力混合、轧片后磨粉、糊料预热、双螺旋混捏后直接一次性热挤压和隔氧焙烧（终温1150-1200℃）制得受电弓纯炭滑板材料。制得受电弓纯碳滑板材料后，采用铜熔融金属溶液作为浸渍液，采用压力浸渍的方式制得碳纳米纤维增强受电弓复合碳滑板。实施例1：S1：将3wt%的碳纳米纤维添加两亲型甲缩醛溶液进行稀释，采用超声波对该混合溶液进行振荡搅拌，振荡时间为2h。S2：选择10wt%的分析纯级酚醛树脂添加到上述溶液中，并增加两亲型甲缩醛溶液，再次使用超声波对其进行作用，振荡时间为1h，制得弱极性的碳纳米纤维-“胶体系”。S3：将上述弱极性的碳纳米纤维-“胶体系”通过喷洒的方式引入到煤沥青中，煤沥青占15wt%。S4：恒温(80℃)熔融0.5h。S5：机械搅拌混匀5h。S6：静置一天，获得碳纳米纤维改性的粘结剂体系。S7：将制得的碳纳米纤维改性粘结剂体系与超细沥青焦(10wt%)、人造石墨(40wt%)和焦粉(22wt%)等增强相混捏，制得相对均匀的糊料体系。S8：最后经强力混合、轧片后磨粉、糊料预热、双螺旋混捏后直接一次性热挤压和隔氧焙烧（终温1150-1200℃）制得受电弓纯炭滑板材料。S9：对纯炭滑板材料进行超声波去油活化没，采用铜熔融金属溶液作为浸渍液，以氩气为加压载体，在真空-压力浸渍罐采用热浸热出方式制得碳纳米纤维增强受电弓复合碳滑板。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米纤维增强受电弓复合碳滑板，其特征在于，其材料配比为：以重量百分比计，碳纳米纤维占1wt%~5wt%；酚醛树脂占10wt%~20wt%；煤沥青占5wt%~30wt%，铜粉占3wt%~15wt%，其余为碳质粉料。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米纤维增强受电弓复合碳滑板，其特征在于，其材料配比为：以重量百分比计，碳纳米纤维占1wt%~5wt%；酚醛树脂占10wt%~20wt%；煤沥青占5wt%~30wt%，铜粉占3wt%~15wt%，其余为碳质粉料。2.根据权利要求1所述的碳纳米纤维增强受电弓复合碳滑板，其特征在于，所述碳质粉料包括石墨、焦炭和炭黑，其中石墨占60wt%~80wt%，焦炭占5wt%~10wt%，炭黑占0~10wt%。3.根据权利要求1所述的碳纳米纤维增强受电弓复合碳滑板，其特征在于，所述碳纳米纤维直径为20~100nm，长度为2μm~10μm。4.一种如权利要求1所述的碳纳米纤维增强受电弓复合碳滑板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将碳纳米纤维添加入溶剂中，分散均匀；步骤2：将酚醛树脂添加到步骤1得到的溶液中，然后搅拌均匀，制得弱极性的碳纳米纤维-“胶体系”；步骤3：将上述弱极性的碳纳米纤维-“胶体系”通过喷洒的方式引入到煤沥青中，经恒温熔融、机械混匀、静置软化后制得碳纳米纤维改性粘结剂体系；步骤4：将制得的碳纳米纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴广宁，涂川俊，高国强，杨泽锋，魏文赋，肖嵩，王虹，谢文汉，杨雁，高波，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51