CN105235529B - 石墨烯‑铜改性炭/炭复合材料受电弓滑板的制备方法 - Google Patents
石墨烯‑铜改性炭/炭复合材料受电弓滑板的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯‑铜改性炭/炭复合材料受电弓滑板的制备方法：将针刺碳纤维整体毡酸洗去除其表面的胶质并进行真空干燥；将处理后的针刺碳纤维整体毡浸泡入一定浓度的石墨烯溶液中，取出后沥干、干燥；将针刺碳纤维整体毡‑石墨烯预制体浸泡入一定浓度的铜氨络合物溶液中；将引入铜的针刺碳纤维整体毡‑石墨烯预制体放入化学气相沉积炉中沉积热解炭得到低密度的炭/炭复合材料，随后进行中温煤沥青的循环浸渍‑炭化得到高密度的石墨烯‑铜改性的炭/炭复合材料；将制得的复合材料按图加工即可得到高品质的受电弓滑板。本发明通过在短切碳纤维表面引入石墨烯膜，提高了炭/炭复合材料纤维/基体界面处的电导性能，力学性能较好。同时，在石墨烯膜表面引入铜能够进一步降低复合材料的电阻率。
Description
技术领域：
本发明涉及一种炭/炭复合材料受电弓滑板的制备方法，特别涉及一种石墨烯-铜改性炭/炭复合材料受电弓滑板的制备方法。
背景技术：
铁路的电气化和高速化已成为世界铁路发展的趋势。随着国民经济的发展和交通运输市场竞争的加剧，提高电力机车运行速度已成为一个亟待解决的重要课题，而受电弓滑板是电力机车的灵魂部件，是电力机车获得动力来源的重要滑动集电元件。高速运行的电力机车上的滑板一旦失效，将严重危及行车安全，因此滑板质量的优劣对机车有非常重要的影响。好的受电弓滑板需具备如下特性：（1）足够的机械强度；（2）小的电阻率和接触电阻；（3）良好的减磨性和自润滑性；（4）一定的耐磨性；（5）良好的耐热、耐电弧性能及耐候性。目前受电弓滑板主要有粉末冶金滑板、纯碳滑板和浸金属滑板三大类。
粉末冶金滑板机械强度高，抗冲击性好，有良好的导电性、热传导性、耐电弧性、耐磨性和减磨性；但是由于粉末冶金滑板材料是金属且自润滑性较差，对导线磨耗比较严重。碳滑板的自润滑性和减磨性好，且耐高温，不易与接触网导线发生焊附现象；但是碳滑板的机械强度低，耐冲击性差，运行中遇到导线硬点易造成滑板折断或破裂，使用寿命短。另外，碳滑板固有电阻大，集电容量小。浸金属碳滑板既有粉末冶金滑板机械强度高、电阻率小的特点，又有纯碳滑板对导线磨耗小的优良性能，但是浸金属碳滑板也存在抗冲击能力不足、易出现掉块、造价过高等问题。
炭/炭复合材料是碳纤维增强炭基体的复合材料，具有高强高模、密度小、热膨胀系数小、抗腐蚀、抗热冲击、化学稳定性好、结构性能可设计性等一系列良好性能，是一种优异的热结构-功能一体化的工程材料。随着炭/炭复合材料性能的不断提高，其应用领域不断拓展。由于炭/炭复合材料具有优良的耐摩擦磨损性能、力学性能和导电性能，已成为一种优异的新型摩擦集电材料，非常适于制备受电弓滑板。
中国专利“CN101049803B，电力机车用炭/炭受电弓滑板的制备方法”采用针刺无纬碳布准三向结构预制体，采用化学气相沉积在预制体表面制备热解炭基体，随后循环进行树脂浸渍-炭化工艺对预制体进行致密化，最终得到率密度大于1.70g/cm3的炭/炭复合材料；按图样加工制得了电力机车用炭/炭复合材料受电弓滑板。中国专利“CN101830723B，一种受电弓滑板炭/炭复合材料的制备方法”通过向碳纤维预制体中浸渍添加硼类催化剂的高残炭率的热固性树脂，经循环浸渍-加压固化-炭化，并经最后石墨化处理制得受电弓滑板炭/炭复合材料。上述方法中均采用碳纤维整体毡或针刺毡作为炭/炭复合材料的增强体，制得的炭/炭复合材料的力学性能、耐磨性和减磨性较好，但是导电性较差。另外，材料成型过程中需要循环多次进行浸渍-炭化致密化工艺，生产周期较长，进一步增加了材料成本。炭/炭复合材料高成本是限制其在电力机车受电弓滑板上应用的关键。
中国专利“CN103192718A，一种受电弓滑板用复合材料及其制备方法”采用碳纤维和铜丝构成的三维混合编织体作为增强体，通过化学气相沉积和热固性树脂浸渍-炭化工艺制备出了金属铜均匀分布的复合材料，改善了炭/炭复合材料的导电性能。中国专利“CN101403079B，碳/碳-铜复合材料的制备方法”采用热等静压渗铜工艺，实现了金属铜在多孔碳/碳复合材料中的均匀分布。中国专利“ZL200710035954.6，一种炭/炭/铜复合材料及其生产工艺”以针刺碳毡作为炭/炭复合材料增强体，通过化学气相沉积或树脂浸渍-炭化工艺制得低密度炭/炭复合材料，再通过真空压力渗铜获得炭/炭/铜复合材料。上述方法采用针刺碳毡（无纬碳布和碳网胎交替层叠）或碳布和铜丝编织成的三维结构作为炭/炭复合材料的增强体，制备出的炭/炭复合材料存在较大的性能的各向异性。采用真空渗铜工艺制备炭/炭/铜复合材料时，需添加Ni、Cr或Ti改善铜与炭/炭复合材料的润湿性问题，因为浸渗压力受限，制备出的材料存在铜分布不均的问题。采用热等静压渗铜解决了铜在炭/炭复合材料中分布不均的问题，但是设备造价昂贵，操作和维护困难，不适于炭/炭/铜复合材料的大规模制备。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种以均匀分散的石墨烯-铜（银）作为改性剂的力学性能好、电阻率低、生产周期短、成本较低的炭/炭复合材料受电弓滑板的制备方法。
本发明为解决技术问题所采取的技术方案如下：
一种石墨烯-铜改性炭/炭复合材料受电弓滑板的制备方法，包括以下制备步骤：
（1）将针刺碳纤维整体毡浸入浓度为45vol%的硝酸酒精溶液中，浸泡5小时后捞出并用蒸馏水洗涤至中性，之后放入60℃真空干燥箱中干燥24小时；
（2）将步骤（1）处理过的针刺碳纤维整体毡浸于浓度为0.05～0.5mg/mL石墨烯溶液中，浸泡36小时后沥干水分，放入120℃真空干燥箱中干燥2小时；
（3）将步骤（2）制备的石墨烯-针刺碳纤维整体毡浸于0.10～0.50M的铜氨络合物溶液中，调节铜氨络合物溶液的pH至4.5～6.5，浸泡时辅以超声震荡，浸泡10小时后取出放入120℃真空干燥箱中干燥2小时；
（4）将步骤（3）制备的石墨烯-铜改性的碳纤维整体毡放入化学气相沉积炉中沉积热解炭；
（5）对步骤（4）得到的低密度的炭/炭复合材料进行煤沥青浸渍-炭化处理；浸渍-炭化循环5次，制得石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料；
（6）将步骤（5）制得的石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料按图纸加工，即可得到石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料受电弓滑板。
在步骤（4）中，所述化学气相沉积炉中，沉积温度为1100℃；沉积压力：10kPa；沉积时间：20小时；碳源气体为甲烷。
在步骤（5）中，所述煤沥青浸渍-炭化处理中，浸渍温度：240℃，压力5.0MPa，浸渍时间2小时；炭化温度1200℃，炭化升温速率1℃/分钟，炭化压力1.0MPa，炭化时间2小时。
本发明与背景技术中所述的方法相比有如下优点：
（1）针刺碳纤维整体毡由长度1～10mm的短切碳纤维制成，以其为增强体得到的炭/炭复合材料的性能表现出各向同性。
（2）在短切碳纤维表面引入了石墨烯膜，能够改善炭/炭复合材料纤维/基体界面处的电导性能；同时，在石墨烯膜表面引入铜能够进一步降低复合材料的电阻率。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明做具体阐述。
实施例1：
一种石墨烯-铜改性炭/炭复合材料受电弓滑板的制备方法，包括以下制备步骤：
（1）将针刺碳纤维整体毡浸入浓度为45vol%的硝酸酒精溶液中，浸泡5小时后捞出并用蒸馏水洗涤至中性，之后放入60℃真空干燥箱中干燥24小时；
（2）将步骤（1）处理过的针刺碳纤维整体毡浸于浓度为0.05mg/mL石墨烯溶液中，浸泡36小时后沥干水分，放入120℃真空干燥箱中干燥2小时；
（3）将步骤（2）制备的石墨烯-针刺碳纤维整体毡浸于0.10M的铜氨络合物溶液中，调节铜氨络合物溶液的pH=4.5，浸泡时辅以超声震荡，浸泡10小时后取出放入120℃真空干燥箱中干燥2小时；
（4）将步骤（3）制备的石墨烯-铜改性的碳纤维整体毡放入化学气相沉积炉中沉积热解炭，沉积温度：1100℃；沉积压力：10kPa；沉积时间：20小时；碳源气体为甲烷；
（5）对步骤（4）得到的低密度的炭/炭复合材料进行煤沥青浸渍-炭化处理，浸渍温度：240℃，压力5.0MPa，浸渍时间2小时；炭化温度1200℃，炭化升温速率1℃/分钟，炭化压力1.0MPa，炭化时间2小时，浸渍-炭化循环5次，制得石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料；
（6）将步骤（5）制得的石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料按图纸加工，即可得到石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料受电弓滑板。
所制得的石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料的密度为1.72g/cm3，抗压强度96.2MPa，抗折强度66.8MPa，电阻率6.1mW×m，肖氏硬度63HS。
实施例2：
一种石墨烯-铜改性炭/炭复合材料受电弓滑板的制备方法，包括以下制备步骤：
（1）将针刺碳纤维整体毡浸入浓度为45vol%的硝酸酒精溶液中，浸泡5小时后捞出并用蒸馏水洗涤至中性，之后放入60℃真空干燥箱中干燥24小时；
（2）将步骤（1）处理过的针刺碳纤维整体毡浸于浓度为0.20mg/mL石墨烯溶液中，浸泡36小时后沥干水分，放入120℃真空干燥箱中干燥2小时；
（3）将步骤（2）制备的石墨烯-针刺碳纤维整体毡浸于0.20M的铜氨络合物溶液中，调节铜氨络合物溶液的pH=5.0，浸泡时辅以超声震荡，浸泡10小时后取出放入120℃真空干燥箱中干燥2小时；
（4）将步骤（3）制备的石墨烯-铜改性的碳纤维整体毡放入化学气相沉积炉中沉积热解炭，沉积温度：1100℃；沉积压力：10kPa；沉积时间：20小时；碳源气体为甲烷；
（5）对步骤（4）得到的低密度的炭/炭复合材料进行煤沥青浸渍-炭化处理，浸渍温度：240℃，压力5.0MPa，浸渍时间2小时；炭化温度1200℃，炭化升温速率1℃/分钟，炭化压力1.0MPa，炭化时间2小时；浸渍-炭化循环5次，制得石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料；
（6）将步骤（5）制得的石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料按图纸加工，即可得到石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料受电弓滑板。
所制得的石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料的密度为1.74g/cm3，抗压强度100.4MPa，抗折强度71.2MPa，电阻率5.4mW×m，肖氏硬度67HS。
实施例3：
一种石墨烯-铜改性炭/炭复合材料受电弓滑板的制备方法，包括以下制备步骤：
（1）将针刺碳纤维整体毡浸入浓度为45vol%的硝酸酒精溶液中，浸泡5小时后捞出并用蒸馏水洗涤至中性，之后放入60℃真空干燥箱中干燥24小时；
（2）将步骤（1）处理过的针刺碳纤维整体毡浸于浓度为0.30mg/mL石墨烯溶液中，浸泡36小时后沥干水分，放入120℃真空干燥箱中干燥2小时；
（3）将步骤（2）制备的石墨烯-针刺碳纤维整体毡浸于0.30M的铜氨络合物溶液中，调节铜氨络合物溶液的pH=5.5，浸泡时辅以超声震荡，浸泡10小时后取出放入120℃真空干燥箱中干燥2小时；
（4）将步骤（3）制备的石墨烯-铜改性的碳纤维整体毡放入化学气相沉积炉中沉积热解炭，沉积温度：1100℃；沉积压力：10kPa；沉积时间：20小时；碳源气体为甲烷；
（5）对步骤（4）得到的低密度的炭/炭复合材料进行煤沥青浸渍-炭化处理，浸渍温度：240℃，压力5.0MPa，浸渍时间2小时；炭化温度1200℃，炭化升温速率1℃/分钟，炭化压力1.0MPa，炭化时间2小时；浸渍-炭化循环5次，制得石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料；
（6）将步骤（5）制得的石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料按图纸加工，即可得到石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料受电弓滑板。
所制得的石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料的密度为1.77g/cm3，抗压强度112.5MPa，抗折强度80.3MPa，电阻率4.9mW×m，肖氏硬度65HS。
实施例4：
一种石墨烯-铜改性炭/炭复合材料受电弓滑板的制备方法，包括以下制备步骤：
（1）将针刺碳纤维整体毡浸入浓度为45vol.%的硝酸酒精溶液中，浸泡5小时后捞出并用蒸馏水洗涤至中性，之后放入60℃真空干燥箱中干燥24小时；
（2）将步骤（1）处理过的针刺碳纤维整体毡浸于浓度为0.40mg/mL石墨烯溶液中，浸泡36小时后沥干水分，放入120℃真空干燥箱中干燥2小时；
（3）将步骤（2）制备的石墨烯-针刺碳纤维整体毡浸于0.40M的铜氨络合物溶液中，调节铜氨络合物溶液的pH=6.0，浸泡时辅以超声震荡，浸泡10小时后取出放入120℃真空干燥箱中干燥2小时；
（4）将步骤（3）制备的石墨烯-铜改性的碳纤维整体毡放入化学气相沉积炉中沉积热解炭，沉积温度：1100℃；沉积压力：10kPa；沉积时间：20小时；碳源气体为甲烷；
（5）对步骤（4）得到的低密度的炭/炭复合材料进行煤沥青浸渍-炭化处理，浸渍温度：240℃，压力5.0MPa，浸渍时间2小时；炭化温度1200℃，炭化升温速率1℃/分钟，炭化压力1.0MPa，炭化时间2小时；浸渍-炭化循环5次，制得石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料；
（6）将步骤（5）制得的石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料按图纸加工，即可得到石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料受电弓滑板。
所制得的石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料的密度为1.75g/cm3，抗压强度118.7MPa，抗折强度82.4MPa，电阻率4.9mW×m，肖氏硬度66HS。
实施例5：
一种石墨烯-铜改性炭/炭复合材料受电弓滑板的制备方法，包括以下制备步骤：
（1）将针刺碳纤维整体毡浸入浓度为45vol%的硝酸酒精溶液中，浸泡5小时后捞出并用蒸馏水洗涤至中性，之后放入60℃真空干燥箱中干燥24小时；
（2）将步骤（1）处理过的针刺碳纤维整体毡浸于浓度为0.50mg/mL石墨烯溶液中，浸泡36小时后沥干水分，放入120℃真空干燥箱中干燥2小时；
（3）将步骤（2）制备的石墨烯-针刺碳纤维整体毡浸于0.50M的铜氨络合物溶液中，调节铜氨络合物溶液的pH=6.5，浸泡时辅以超声震荡，浸泡10小时后取出放入120℃真空干燥箱中干燥2小时；
（4）将步骤（3）制备的石墨烯-铜改性的碳纤维整体毡放入化学气相沉积炉中沉积热解炭，沉积温度：1100℃；沉积压力：10kPa；沉积时间：20小时；碳源气体为甲烷；
（5）对步骤（4）得到的低密度的炭/炭复合材料进行煤沥青浸渍-炭化处理，浸渍温度：240℃，压力5.0MPa，浸渍时间2小时；炭化温度1200℃，炭化升温速率1℃/分钟，炭化压力1.0MPa，炭化时间2小时；浸渍-炭化循环5次，制得石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料；
（6）将步骤（5）制得的石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料按图纸加工，即可得到石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料受电弓滑板。
所制得的石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料的密度为1.77g/cm3，抗压强度120.0MPa，抗折强度85.1MPa，电阻率5.1mW×m，肖氏硬度68HS。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (3)
1.一种石墨烯-铜改性炭/炭复合材料受电弓滑板的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
（1）将针刺碳纤维整体毡浸入浓度为45vol%的硝酸酒精溶液中，浸泡5小时后捞出并用蒸馏水洗涤至中性，之后放入60℃真空干燥箱中干燥24小时；
（2）将步骤（1）处理过的针刺碳纤维整体毡浸于浓度为0.05～0.5mg/mL石墨烯溶液中，浸泡36小时后沥干水分，放入120℃真空干燥箱中干燥2小时；
（3）将步骤（2）制备的石墨烯-针刺碳纤维整体毡浸于0.10～0.50M的铜氨络合物溶液中，调节铜氨络合物溶液的pH至4.5～6.5，浸泡时辅以超声震荡，浸泡10小时后取出放入120℃真空干燥箱中干燥2小时；
（4）将步骤（3）制备的石墨烯-铜改性的碳纤维整体毡放入化学气相沉积炉中沉积热解炭；
（5）对步骤（4）得到的低密度的炭/炭复合材料进行煤沥青浸渍-炭化处理；浸渍-炭化循环5次，制得石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料；
（6）将步骤（5）制得的石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料按图纸加工，即可得到石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料受电弓滑板。
2.根据权利要求1所述的石墨烯-铜改性炭/炭复合材料受电弓滑板的制备方法，其特征在于：在步骤（4）中，所述化学气相沉积炉中，沉积温度为1100℃；沉积压力：10kPa；沉积时间：20小时；碳源气体为甲烷。
3.根据权利要求1所述的石墨烯-铜改性炭/炭复合材料受电弓滑板的制备方法，其特征在于：在步骤（5）中，所述煤沥青浸渍-炭化处理中，浸渍温度：240℃，压力5.0MPa，浸渍时间2小时；炭化温度1200℃，炭化升温速率1℃/分钟，炭化压力1.0MPa，炭化时间2小时。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20160829 Address after: Hu pocun Zhanjie town Gongyi city 451261 Henan city of Zhengzhou Province Applicant after: Gongyi pan Rui Yi Hui Composite Materials Co Ltd Address before: 215625, A01 building, science and Technology Pioneer Park, Kam Fengzhen Road, Kam Zhangjiagang, Jiangsu, Suzhou Applicant before: SUZHOU FANMIN COMPOSITE MATERIAL TECHNOLOGY CO., LTD. |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Preparation of graphene copper modified carbon / carbon composite pantograph slide plate Effective date of registration: 20200915 Granted publication date: 20170901 Pledgee: Henan Gongyi Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: GONGYI VAN-RESEARCH YIHUI COMPOSITE MATERIAL Co.,Ltd. Registration number: Y2020990001117 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Date of cancellation: 20210926 Granted publication date: 20170901 Pledgee: Henan Gongyi Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: GONGYI VAN-RESEARCH YIHUI COMPOSITE MATERIAL Co.,Ltd. Registration number: Y2020990001117 |