[发明专利]一种碳纳米纤维增强受电弓复合碳滑板及其制备方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及电工材料技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

针对上述问题，本发明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20~100 nm，长度为2 μm~10 μm。

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1-2 h将碳纳米纤维均匀分散其中。