一种高速列车用石墨烯铜受电弓滑板材料及制备方法技术

本发明专利技术提供一种高速列车用石墨烯铜受电弓滑板材料及制备方法，该滑板以石墨烯为增强材料，以铜铁为基体材料，以焦炭粉和石墨纤维等为自润滑耐磨材料，以钛、钨、钼等为添加剂。将所有组分均匀混合后，采用热压的方法直接成型。本发明专利技术制备的受电弓滑板具有良好的导电性、耐磨性、抗冲击性和耐烧蚀等优点，同时对接触网导线磨耗很小。该滑板不仅制备工艺简单，而且性能远远好于常规的碳滑板和浸金属滑板。该滑板材料不仅适合做高铁和动车类高速列车的受电弓滑板，而且也适合做地铁等低速车的电接触材料。

A Graphene Copper Pantograph Slider Material for High Speed Train and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种高速列车用石墨烯铜受电弓滑板材料及制备方法
本专利技术属于新材料领域，涉及高性能石墨烯铜受电弓滑板材料的制备方法，可用于高铁和动车等高速列车上，也可用于城市地铁等低速列车上。
技术介绍
受电弓滑板简称滑板，它是高铁和动车等列车上的重要集电元件。滑板安装在受电弓上，直接与接触网导线接触，通过受电弓滑板与输电网线的接触，将输电网上的电流引导下来，传输给机车供电系统，来维持电力机车正常运行。因此要求滑板具有良好的导电性、耐磨性和抗冲击韧性等性能，同时要求滑板对接触网导线磨耗尽可能的低。随着高铁的迅速发展，提高滑板性能成为了国内外的研发重点之一。当前常用的滑板主要有三种类型：碳滑板、粉末冶金滑板和浸金属碳滑板。碳滑板具有良好的耐磨性，但电阻率高，抗冲击能力很差，容易断裂。粉末冶金滑板具有良好的导电性和抗冲击韧性，但对接触网导线磨损严重，造成接触网出现断网故障。浸金属碳滑板比碳滑板具有更高的导电率和冲击韧性，但是它对接触网导线磨耗也很严重，运行过程中也容易折断。为了解决上述受电弓滑板在使用方面的不足，相继研制开发了各种改进型的受电弓滑板，如铝包碳滑板，碳纤维增强碳滑板，石墨增强铝滑板等，尽管性能有所提高，但是仍然存在着各种问题。如公开号为CN108422868A的专利技术专利公开了一种电力机车用碳—碳复合材料受电弓滑板，该滑板以碳纤维布、酚醛树脂、丁腈橡胶和石墨粉作为连续相，以短切碳纤维和铜纤维作为增强相制备碳纤维复合材料，不仅制备工艺复杂，而且滑板的电阻率偏高。公开号为CN108503363A的专利公开了一种碳-碳复合材料的受电弓碳滑板及其制备方法，该滑板以碳、沥青焦、半补强炭黑、石墨和粘接剂为原料，通过挤出成型和生坯焙烧等复杂工艺制备而成，虽然耐磨性能较好，但是强度差，电阻率高。公开号为CN105272254A的专利技术专利公开了一种受电弓碳滑板材料的制备方法，该滑板以电解石墨烯、半补强炭黑和针状石油焦等为原料，其制备方法包括混捏、成型、一次焙烧、浸渍和二次焙烧等过程。该滑板虽然具有良好的抗冲击性能，但是该滑板的制备工艺很繁琐，而且滑板的综合性能并不好。
技术实现思路
本专利技术的目的针对现有技术存在的不足，而提出一种高性能的受电弓滑板材料的制备方法，该滑板材料以石墨烯为增强材料，以铜铁为基体材料，以焦炭粉和石墨纤维等为自润滑耐磨材料，以钛、钨、钼等为添加剂。将所有组分均匀混合后，采用热压的方法直接成型。具体技术方案为：一种高速列车用石墨烯铜受电弓滑板材料，该材料各成分的质量比为：石墨烯2.0-11.0wt％、铜粉30.5-60.5wt％、铁粉1.0-19.0wt％、焦炭8.0-37.0wt％、碳纳米管1.0-5.0wt％、石墨纤维0.4-6.2wt％、添加剂0.06～0.25wt％。上述添加剂为600目-800目的钛粉、800目-1200目的钨粉和900目-1200目的钼粉混合而成，钛粉、钨粉和钼粉质量比为1:3:5。进一步地，上述所用的铜粉的粒度为400-600目，铁粉的粒度为900-1200目。进一步地，上述所用的碳纳米管为单壁或多壁，直径为2～10nm，长度为0.5～8μm。进一步地，上述所用焦炭的粒度为100～400目，石墨纤维为高强型纤维，直径为4～8μm，长度为0.5～3cm。制备上述高速列车用石墨烯铜受电弓滑板材料的方法，包括如下步骤：(1)首先按照该材料各成分的质量比，将石墨烯、添加剂和碳纳米管都均匀分散在浓度为8.5％聚乙烯醇溶液中，石墨烯与聚乙烯醇的质量比为1:10，然后在混合溶液中依次加入铜粉、铁粉、焦炭和石墨纤维，搅拌均匀；(2)将步骤(1)制得的混合溶液进行真空烘干，烘干温度为30-50℃；(3)将烘干物取出，放在热压机的样品热压槽中直接真空热压成型，热压时的压强为40～120MPa，温度为850℃～1200℃，保温时间为8～20分钟，制得石墨烯铜受电弓滑板材料。本专利技术的有益效果为，该滑板耐摩擦磨损、导电率高、抗冲击性能强、具有自润滑性能，同时对接触网导线的磨耗很低。该滑板不仅制备工艺简单，而且性能远远好于常规的碳滑板和浸金属滑板。该滑板材料不仅适合做高铁和动车类高速列车的受电弓滑板，而且也适合做地铁等低速车的电接触材料。具体实施方式实施例1：(1)首先将石墨烯2wt％、添加剂0.20wt％和碳纳米管3wt％(直径约为3nm，长度约为0.5μm)都均匀分散在聚乙烯醇溶液中，然后在上述溶液中依次加入400目铜粉57wt％，900目铁粉17wt％，400目焦炭20.8wt％，石墨纤维6wt％(直径约为4μm，长度约为2cm)，搅拌均匀。(2)将上述混合物进行真空烘干，烘干温度为30℃。(3)将烘干物取出，放在热压机的样品热压槽中直接真空热压成型，热压时的压强为50MPa，热压温度为1100℃，保温时间为12分钟。制成的滑板密度4.27g/cm3，电阻率0.12μΩ·m，冲击韧性5.90J/cm2，抗弯强度381MPa，摩擦系数0.052，抗压强度370MPa。实施例2：(1)首先将石墨烯5wt％、添加剂0.10wt％和碳纳米管5wt％(直径约为4nm，长度约为1μm)都均匀分散在聚乙烯醇溶液中，然后在上述溶液中依次加入500目铜粉53wt％，1100目铁粉15wt％，200目焦炭19.9wt％，石墨纤维2wt％(直径约为5μm，长度约为3cm)，搅拌均匀。(2)将上述混合物进行真空烘干，烘干温度为30℃。(3)将烘干物取出，放在热压机的样品热压槽中直接真空热压成型，热压时的压强为80MPa，热压温度为1000℃，保温时间为9分钟。制成的滑板密度4.21g/cm3，电阻率0.14μΩ·m，冲击韧性5.72J/cm2，抗弯强度370MPa，摩擦系数0.045，抗压强度360MPa。实施例3：(1)首先将石墨烯8wt％、添加剂0.08wt％和碳纳米管4wt％(直径约为5nm，长度约为2μm)都均匀分散在聚乙烯醇溶液中，然后在上述溶液中依次加入600目铜粉50wt％，1200目铁粉12wt％，300目焦炭23wt％，石墨纤维2.92wt％(直径约为6μm，长度约为1cm)，搅拌均匀。(2)将上述混合物进行真空烘干，烘干温度为30℃。(3)将烘干物取出，放在热压机的样品热压槽中直接真空热压成型，热压时的压强为100MPa，热压温度为1100℃，保温时间为8分钟。制成的滑板密度4.17g/cm3，电阻率0.16μΩ·m，冲击韧性5.50J/cm2，抗弯强度361MPa，摩擦系数0.040，抗压强度349MPa。实施例4：(1)首先将石墨烯10wt％、添加剂0.12wt％和碳纳米管2wt％(直径约为8nm，长度约为6μm)都均匀分散在聚乙烯醇溶液中，然后在上述溶液中依次加入600目铜粉48wt％，1000目铁粉10wt％，100目焦炭28wt％，石墨纤维1.88wt％(直径约为8μm，长度约为0.5cm)，搅拌均匀。(2)将上述混合物进行真空烘干，烘干温度为30℃。(3)将烘干物取出，放在热压机的样品热压槽中直接真空热压成型，热压时的压强为120MPa，热压温度为900℃，保温时间为11分钟。制成的滑板密度4.11g/cm3，电阻率0.18μΩ·m，冲击韧性5.35J/cm2，抗弯强度347MPa，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速列车用石墨烯铜受电弓滑板材料，其特征在于，该材料各成分的质量比为：石墨烯2.0‑11.0wt％、铜粉30.5‑60.5wt％、铁粉1.0‑19.0wt％、焦炭8.0‑37.0wt％、碳纳米管1.0‑5.0wt％、石墨纤维0.4‑6.2wt％、添加剂0.06～0.25wt％。

【技术特征摘要】
1.一种高速列车用石墨烯铜受电弓滑板材料，其特征在于，该材料各成分的质量比为：石墨烯2.0-11.0wt％、铜粉30.5-60.5wt％、铁粉1.0-19.0wt％、焦炭8.0-37.0wt％、碳纳米管1.0-5.0wt％、石墨纤维0.4-6.2wt％、添加剂0.06～0.25wt％。2.根据权利要求1所述的石墨烯铜受电弓滑板材料，其特征在于，所述添加剂为600目-800目的钛粉、800目-1200目的钨粉和900目-1200目的钼粉混合而成，钛粉、钨粉和钼粉质量比为1:3:5。3.根据权利要求1或2所述的石墨烯铜受电弓滑板材料，其特征在于，所用的铜粉的粒度为400-600目，铁粉的粒度为900-1200目。4.根据权利要求1或2所述的石墨烯铜受电弓滑板材料，其特征在于，所用的碳纳米管为单壁或多壁，直径为2～10nm，长...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨连威，王瑞杰，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21