[發明專利]一種碳納米纖維增強受電弓復合碳滑板及其制備方法

有效

• 申請號: 201811071810.0
• 申請日: 2018-09-14
• 公開（公告）號: CN109251051B
• 公開（公告）日: 2020-01-14
• 發明（設計）人: 吳廣寧;涂川俊;高國強;楊澤鋒;魏文賦;肖嵩;王虹;謝文漢;楊雁;高波
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: C04B35/83
• 分類號: C04B35/83;C04B35/532;C04B35/622;C04B41/88
• 代理公司: 51200 成都信博專利代理有限責任公司
• 代理人: 劉凱

本發明公開了一種碳納米纖維增強受電弓復合碳滑板及其制備方法，采用碳納米纖維與分析純的酚醛樹脂制備弱極性的碳納米纖維?“膠體系”，用于改性煤瀝青的粘結劑體系，以減少微裂紋的產生并輔助滑板材料形成銅“骨架”結構；采用雙螺旋熱擠壓、隔氧焙燒、銅溶液浸漬獲得碳納米纖維增強的受電弓復合碳滑板。本發明可以減少微裂紋產生并在碳滑板材料中實現銅“骨架”結構，較少的微裂紋和銅“骨架”不僅增強了滑板的機械強度，而且銅“骨架”結構加快了滑板散熱，提高了滑板耐電弧燒蝕能力。

技術領域

本發明涉及電工材料技術領域，具體為一種碳納米纖維增強受電弓復合碳滑板及其制備方法。

背景技術

受電弓滑板作為高速列車獲取能量的關鍵集電元件，其良好的服役性能是保障高速列車安全、可靠運行的根本。隨著列車運行速度、運行密度和牽引功率的大幅提高，弓網系統沖擊振動顯著加劇，弓網間電弧頻繁，導致滑板異常磨耗甚至斷裂，造成故障頻發。

研究表明，高速鐵路受電弓滑板故障的根本原因在于，現有浸金屬滑板材料的碳相、粘結劑相、金屬相結合簡單，導致碳-碳層間、層面結合力弱，碳-銅熔融體易分離，使得滑板內部微裂紋缺陷在沖擊振動時迅速生長，致使其強度、韌性、耐電弧侵蝕能力難以滿足長時間、高速度、大電流的工況要求。針對碳-碳層間、層面結合力弱的問題，國內外學者嘗試將碳纖維引入碳基材料，發現能夠一定程度上增強脆性碳石墨材料力學性能，但由于碳纖維與粘結劑相容性較差，碳纖維難以跟隨粘結劑進入骨料碳之間，其改性效果有限。

碳納米纖維比普通碳纖維具有更高的界面剪切和拉伸斷裂強度，且其豐富的界面結構可有效吸附粘結劑中小分子，減少碳化過程中由于材料揮發導致的先天性微裂紋。同時，碳納米纖維的納米尺寸結構優勢使得其易隨粘結劑均勻進入碳骨料之間，在滑板材料中構建“骨架”結構，進而增強受電弓滑板材料層間的結合強度。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的在于提供一種碳納米纖維增強的受電弓復合碳滑板的制備思路與方法，采用碳納米纖維與酚醛樹脂充分融合的碳納米纖維-“膠體系”制備受電弓復合碳滑板，從而減少碳化過程中因材料揮發導致的先天性微裂紋，在碳滑板材料中形成“骨架”結構，進而增強受電弓滑板材料的結合強度。技術方案如下：

一種碳納米纖維增強受電弓復合碳滑板，其材料配比為：以重量百分比計，碳納米纖維占1wt%~5wt%；酚醛樹脂占10wt%~20wt%；煤瀝青占5wt%~30wt%，銅粉占3wt%~15wt%，其余為碳質粉料。

進一步的，所述碳質粉料包括石墨、焦炭和炭黑，其中石墨占60wt%~80wt%，焦炭占5wt%~10wt%，炭黑占0~10wt%。

更進一步的，所述碳納米纖維直徑為20~100 nm，長度為2 μm~10 μm。

一種碳納米纖維增強受電弓復合碳滑板的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：將碳納米纖維添加入溶劑中，分散均勻；

步驟2：將酚醛樹脂添加到步驟1得到的溶液中，然后攪拌均勻，制得弱極性的碳納米纖維-“膠體系”；

步驟3：將上述弱極性的碳納米纖維-“膠體系”通過噴灑的方式引入到煤瀝青中，經恒溫熔融、機械混勻、靜置軟化后制得碳納米纖維改性粘結劑體系；

步驟4：將制得的碳納米纖維改性粘結劑體系與增強相混捏，制得糊料體系；

步驟5：經強力混合、軋片后磨粉、糊料預熱、雙螺旋混捏后直接一次性熱擠壓和隔氧焙燒制得受電弓純炭滑板材料；

步驟6：制得受電弓純碳滑板材料后，采用銅熔融金屬溶液作為浸漬液，采用壓力浸漬的方式制得碳納米纖維增強受電弓復合碳滑板。

更進一步的，所述步驟1中的溶劑采用兩親型甲縮醛，通過超聲波振蕩1-2 h將碳納米纖維均勻分散其中。