本发明属于电力机车技术领域，尤其涉及一种利用氧化石墨烯制备受电弓碳滑条材料的制备方法。
背景技术：
随着科学技术的发展，轨道交通在国民经济中起着愈来愈重要的作用。在我国国民经济水平飞速发的今天，轨道交通业尤其是高铁、动车和客货电力机车等均呈现出蓬勃发展的局面。
而作为其动力来源最重要的集电原件受电弓来说，更是重中之重。由于高速列车是通过受电弓上的碳滑板从路网导线上获取电能，驱动牵引电机运行来带动列车行驶，受电弓碳滑板与路网导线可靠的接触是保证高速受流的重要条件，受电弓弓头上的碳滑板与路网导线接触，相对滑动，从路网导线上取下电流，输送给电力机车，这一过程称为受流，在受流过程中，路网导线和受电弓碳滑板在机械与电气上密切相关，只要其中之一出现问题，都会破坏正常的受电特性。受电弓碳滑条板和路网导线一旦发生事故，将会带来十分严重的后果，直接造成重大经济损失，为此，受电弓碳滑板的制备无疑成为最关键，以保证铁路运输安全这一永恒的主题。由于在运行中与接触网导线不断产生摩擦和冲击，所以这一部件是一种经常更换的消耗性部件。
碳滑板是近几年发展起来的，欧美高速列车上普通使用碳滑板的机械强度高，在德国ICE运行中每个滑板的走行公里数达到12万千米。目前，碳滑板仍是国内外铁路部门广泛采用的首选材料，碳滑板是以碳-石墨为基础材料，具有良好的导电。导热及耐磨自润滑性，并具有很好的抑制火花作用和高温不变形、对接触网导线磨耗小的特点，作为碳滑板的关键组成部分碳滑条的选用必须对其综合性能有严格的要求指标，需要具有合适的电阻率和接触电阻、足够的机械强度、良好的减磨性及自润滑性、良好的耐热、耐电弧和一定的耐磨性。
申请号为201310582451.6的中国专利，公开了一种受电弓碳滑板及其制造方法， 受电弓碳滑板是由石油焦粉、沥青焦粉、喷雾炭黑、硫磺、氮化硼、碳纤维、天然石墨、人造石墨、氯化钙粉末、改制沥青为原料搅拌混合制成，然后进行混捏，利用所述混捏物料制成碳滑板初坯，在进行焙烧，制成烧结碳滑板初坯，将烧结碳滑板初坯依次进行浸渍、焙烧，干燥处理，本专利中碳滑板的生产周期长，需要进行两次焙烧才能达到预期的效果。
另外原料的多元化高端化，如碳纤维、天然石墨等材料必然使其制造成本增加。由于高端石墨制品性能够满足受电弓碳滑条生产工艺要求，但其价格非常昂贵，且国内的高性能石墨产品尚处于发展阶段，而普通碳素材料不能完全满足碳滑条理化指标，
鉴于以上原因，特提出本发明。
技术实现要素：
本发明的目的是提供了一种利用氧化石墨烯制备受电弓碳滑条材料的制备方法，氧化石墨烯是是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米，因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。该制备方法是利用氧化石墨烯生产受电弓碳滑条材料是一种新型碳素产品，具有非常好的理化性能指标，由于氧化石墨烯的加入，显著提高了受电弓碳滑板材料的导电性、导热性及摩擦、磨损性，本发明制备方法生产周期短，经过一次焙烧即得满足要求的炭条材料。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用氧化石墨烯制备受电弓碳滑条材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将氧化石墨烯、半补强炭黑、石墨粉和经过破碎、磨粉、筛分的沥青焦进行混合，作为制备所述的碳滑条的骨料；
(2)向所述的骨料中加入粘结剂，然后经过混捏，得到糊料；
(3)将糊料进行预压成型；
(4)将预压成型的糊料进行一次焙烧，得到适用于所述的受电弓碳滑条材料。
通过以上方法，氧化石墨烯制备的受电弓碳滑条具有良好的导电性、导热性高及耐摩擦和磨损性强、原料成本低等优点。
优选的，步骤(1)中所述的骨料的各组分按重量百分比计，氧化石墨烯3-5％，半补强炭黑10-15％，石墨粉6-8％，沥青焦70-80％，所述的沥青焦的粒径 0.15mm-2mm，所述的骨料的粒径为0.15mm-2mm。
通过以上的配比，所述的骨料的粒径在此范围内，是因为颗粒粒径的分布直接影响颗粒的堆积方式，颗粒堆积越紧密，碳滑条材料的体积密度越大、机械强度越高。
优选的，所述的半补强炭黑的粒径为0.07mm-0.10mm；所述的石墨粉粒径为0.5-1mm；
所述的沥青焦的粒径范围和含量为：
0.5mm＜粒径≤2mm 55-60％
粒径≤0.15mm 40-45％。
不同粒径的骨料颗粒堆积较为紧密，碳滑条材料的体积密度、气孔率、抗折抗压强度和热膨胀系数可达到一个非常好的平衡值，所制备出的碳滑条材料体积密度大、气孔率小、抗折抗压能力强、热膨胀系数小。
其中，在碳滑条材料的制备工艺中，配方对材料的性能参数影响较大，特别是对体积密度、电阻率、气孔率、机械强度的影响。一般来说，采用较细颗粒配方挤压成型提到产品的体积密度大、气孔率较小、抗折抗压强度高，本发明在配料时，采用超细结构的氧化石墨烯和半补强炭黑，再将沥青焦进行破碎、磨粉、筛分，使其达到小颗粒配方，最大粒径为2mm，最小粒径为0.15mm。在此粒径范围内，颗粒粒径的分布直接影响颗粒的堆积方式，颗粒堆积越紧密，碳滑条材料的体积密度越大、机械强度越高。
优选的，步骤(2)中所述的骨料与所述的粘结剂重量比为74-71.5：26-28.5，优选为74:26。
本发明采用的挤压成型方式，因此对粘结剂中温改制煤沥青的用量有严格配比要求，粘结剂的用量和骨料的表面积有直接关系，骨料的粒径小，表面积越大，粘结剂用量则越多，但粘结剂用量过多，成型时不易挤实，因而产品的体积密度较小，且成型后产品容易变形。本发明骨料与粘结剂配比为74:26，骨料和粘结剂在混捏后，得到的糊料基本上不呈团块，或有少许团块，成型后得到体积密度较高的成型品。
优选的，步骤(1)中所述氧化石墨烯的拉伸模量≤1.01TPa，极限强度≤116Gpa,所述的半补强炭黑的电阻率≤0.6μΩ·m，所述的沥青焦的真密度≥2.10g/cm3，灰份＜0.5％，挥发分＜0.8％。
优选的，步骤(2)中所述的粘结剂为中温煤沥青，所述的中温煤沥青的软化点 85-90℃，结焦值≥58％。
本发明采用以上条件有利于得到体积密度较高的焙烧品，有利于提高成品率，最终使其理化指标满足受电弓碳滑条的需要。
优选的，步骤(2)中所述的混捏为干混和湿混，所述的干混是将所述的骨料按配比放进混捏锅内，搅拌速率为45r/min，搅拌30-40min，干混温度为160-180℃；所述的湿混是将中温煤沥青先加热至220℃，然后通过沥青管道注入到混捏锅中与骨料充分搅拌均匀，由此得到糊料。
优选的，步骤(3)中所述的预压成型是将所述的糊料压制成预成型的圆柱体，预压温度180℃。
优选的，将所述的预成型的圆柱体进行挤压成型得到生坯制品，所述的生坯制品体积密度≥1.75g/cm3。
更优选的，所述的一次焙烧是将所述的生坯制品在隔绝空气的条件下，在氮气电炉中进行热处理，所述的热处理过程分为如下步骤：
(1)将所述的生坯制品以升温速率1.1-2.1℃/h从150℃升温到550℃温度；
(2)然后以升温速率0.7-1.1℃/h从550℃升温到900℃；
(3)最后以升温速率1.1-1.5℃/h从900℃升温到1400℃。
焙烧的目的是将粘结剂沥青炭化，在骨料颗粒间形成焦炭网格，将不同粒度的骨料牢固地粘结成一个整体。小颗粒配方在制备炭材料时，在后续热处理过程中出现裂纹的机率会大，成品率可能偏低，本发明通过优化及改进焙烧时的升温曲线、加热持续时间等因素，提高了粘结剂的结焦率，克服了小颗粒带来的出现裂纹、成品率低的问题，以保证产品综合指标的成品率。
本发明焙烧过程是利用氮气电炉在隔绝空气和氧气的条件下进行的，最高温度达到1400℃，在升温区150-550℃时每小时升温1.1-2.1℃，焙烧品中的轻质挥发份以较慢的速度挥发排出，焙烧品内部的所受到的压强较小、较为平衡，避免了升温过程中裂纹产生，并且轻质组分有充分的时间排出制品；在550-900℃时焙烧品中缩聚反应增强，焦炭开始形成，每小时升温0.7-1.1℃，有利于提高粘结剂的结焦率，半焦化转变为焦化；在900-1400℃时，缩聚反应继续发生，制品进一步焦化，每小时升温1.1-1.5℃；以较慢的升温速率进行升温，有利于提高焙烧品的体积密度和强度，并避免缩聚反应的过程中焙烧品在收缩时产生裂纹；并以较快升温速率进行升温，焙烧品的组织结构进一步致密化,得到最终的适用于受电弓碳滑条用材料。
热处理过程采用温度报警仪控制，保证温度报警仪的差范围在5℃以内，确保产品体积密度大于1.75g/cm3，产品内外结构要求没有裂纹，以得到满足受电弓碳滑条要求的材料。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明利于氧化石墨烯制备的受电弓碳滑条，只需要一次焙烧即能得到满足要求的炭条材料，生产周期短。
2、本发明提供的氧化石墨烯制备的受电弓碳滑条具有良好的导电性、导热性高及耐摩擦和磨损性强、原料成本低等优点，本发明中的氧化石墨烯生产受电弓碳滑条材料，其体积密度≥1.75g/cm3，电阻率为≤40μΩ·m，抗压强度为≥90Mpa，抗折强度为≥35Mpa，肖氏硬度为≥60HS，耐磨性能≤15mm/万km，对导线的磨损≤0.015mm2/万弓架次。
具体实施方式
以下实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围
实施例1
(1)按照重量百分比准备制备受电弓碳滑条的骨料为：氧化石墨烯3％、半补强炭黑10％、石墨粉6％，沥青焦71％。
骨料与中温煤沥青的重量比为74:26，中温煤沥青软化点为85℃，结焦值为58％，其中氧化石墨烯的拉伸模量为1.01TPa，极限强度116Gpa，半补强炭黑粒径为0.07mm，电阻率0.6μΩ·m，沥青焦的真密度2.10g/cm3，灰分0.45％，挥发分0.75％，石墨粉粒径为0.5mm，其中，将沥青焦进行破碎、磨粉、筛分，沥青焦粒径为0.5mm＜粒径≤2mm占总沥青焦的重量百分比55％，粒径≤0.15mm占总沥青焦的重量百分比45％，制备的骨料粒径为0.15mm-2mm。
(2)将上面准备好的骨料放进混捏锅内，搅拌速率为45r/min，搅拌30min，温度为160℃，然后将上面的中温煤沥青加热到220℃，然后通过沥青管道注入到混捏锅中与骨料充分搅拌，由此得到糊料。
(3)将得到的糊料在180℃下压制成圆柱体，进行下一步的塑性，将预成型的圆柱体进行挤压，得到生坯制品。
(4)将上面的生坯制品放入氮气电炉中，在隔绝空气的条件下进行热处理，首先是以升温速率1.1℃/h从150℃升温到550℃温度；然后以升温速率0.7℃/h从550℃升温到900℃；最后以升温速率1.1℃/h从900℃升温到1400℃，得到满足条件的受电弓碳滑条要求的材料。
上面的升温过程中采用温度报警仪进行控制，保证温度报警仪的误差范围在5℃以内，产品内外结构没有裂纹。
对上面得到的碳滑条进行性能测试，测试结果见表1。
实施例2
(1)按照重量百分比准备制备受电弓碳滑条的骨料为：氧化石墨烯3％、半补强炭黑10％、石墨粉7％，沥青焦80％。
骨料与中温煤沥青的重量比为73:27，中温煤沥青软化点为87℃，结焦值为58％，其中氧化石墨烯的拉伸模量为1.01TPa，极限强度116Gpa，半补强炭黑粒径为0.08mm，电阻率0.4μΩ·m，沥青焦的真密度2.50g/cm3，灰分0.45％，挥发分0.75％，石墨粉粒径为0.5mm，其中，将沥青焦进行破碎、磨粉、筛分，沥青焦粒径为0.5mm＜粒径≤2mm占总沥青焦的重量百分比57％，粒径≤0.15mm占总沥青焦的重量百分比43％，制备的骨料粒径为0.15mm-2mm。
(2)将上面准备好的骨料放进混捏锅内，搅拌速率为45r/min，搅拌35min，温度为170℃，然后将上面的中温煤沥青加热到220℃，然后通过沥青管道注入到混捏锅中与骨料充分搅拌，由此得到糊料。
(3)将得到的糊料在180℃下压制成圆柱体，进行下一步的塑性，将预成型的圆柱体进行挤压，得到生坯制品。
(4)将上面的生坯制品放入氮气电炉中，在隔绝空气的条件下进行热处理，首先是以升温速率1.5℃/h从150℃升温到550℃温度；然后以升温速率0.9℃/h从550℃升温到900℃；最后以升温速率1.3℃/h从900℃升温到1400℃，得到满足条件的受电弓碳滑条要求的材料。
上面的升温过程中采用温度报警仪进行控制，保证温度报警仪的误差范围在5℃以内，产品内外结构没有裂纹。
对上面得到的碳滑条进行性能测试，测试结果见表1。
实施例3
(1)按照重量百分比准备制备受电弓碳滑条的骨料为：氧化石墨烯4％、半补 强炭黑12％、石墨粉7％，沥青焦77％。
骨料与中温煤沥青的重量比为72:28，中温煤沥青软化点为88℃，结焦值为60％，其中氧化石墨烯的拉伸模量为1.01TPa，极限强度116Gpa，半补强炭黑粒径为0.09mm，电阻率0.4μΩ·m，沥青焦的真密度2.50g/cm3，灰分0.45％，挥发分0.75％，石墨粉粒径为0.9mm，其中，将沥青焦进行破碎、磨粉、筛分，沥青焦粒径为0.5mm＜粒径≤2mm占总沥青焦的重量百分比58％，粒径≤0.15mm占总沥青焦的重量百分比42％，制备的骨料粒径为0.15mm-2mm。
(2)将上面准备好的骨料放进混捏锅内，搅拌速率为45r/min，搅拌38min，温度为175℃，然后将上面的中温煤沥青加热到220℃，然后通过沥青管道注入到混捏锅中与骨料充分搅拌，由此得到糊料。
(3)将得到的糊料在180℃下压制成圆柱体，进行下一步的塑性，将预成型的圆柱体进行挤压，得到生坯制品。
(4)将上面的生坯制品放入氮气电炉中，在隔绝空气的条件下进行热处理，首先是以升温速率1.3℃/h从150℃升温到550℃温度；然后以升温速率1.0℃/h从550℃升温到900℃；最后以升温速率1.2℃/h从900℃升温到1400℃，得到满足条件的受电弓碳滑条要求的材料。
上面的升温过程中采用温度报警仪进行控制，保证温度报警仪的误差范围在5℃以内，产品内外结构没有裂纹。
对上面得到的碳滑条进行性能测试，测试结果见表1。
实施例4
(1)按照重量百分比准备制备受电弓碳滑条的骨料为：氧化石墨烯5％、半补强炭黑15％、石墨粉8％，沥青焦72％。
骨料与中温煤沥青的重量比为71.5:28.5，中温煤沥青软化点为90℃，结焦值为65％，其中氧化石墨烯的拉伸模量为1.01TPa，极限强度116Gpa，半补强炭黑粒径为0.09mm，电阻率0.4μΩ·m，沥青焦的真密度2.50g/cm3，灰分0.45％，挥发分0.75％，石墨粉粒径为0.9mm，其中，将沥青焦进行破碎、磨粉、筛分，沥青焦粒径为0.5mm＜粒径≤2mm占总沥青焦的重量百分比58％，粒径≤0.15mm占总沥青焦的重量百分比42％，制备的骨料粒径为0.15mm-2mm。
(2)将上面准备好的骨料放进混捏锅内，搅拌速率为45r/min，搅拌38min，温度为175℃，然后将上面的中温煤沥青加热到220℃，然后通过沥青管道注入到混捏 锅中与骨料充分搅拌，由此得到糊料。
(3)将得到的糊料在180℃下压制成圆柱体，进行下一步的塑性，将预成型的圆柱体进行挤压，得到生坯制品。
(4)将上面的生坯制品放入氮气电炉中，在隔绝空气的条件下进行热处理，首先是以升温速率1.3℃/h从150℃升温到550℃温度；然后以升温速率1.0℃/h从550℃升温到900℃；最后以升温速率1.2℃/h从900℃升温到1400℃，得到满足条件的受电弓碳滑条要求的材料。
上面的升温过程中采用温度报警仪进行控制，保证温度报警仪的误差范围在5℃以内，产品内外结构没有裂纹。
对上面得到的碳滑条进行性能测试，测试结果见表1。
实施例5
(1)按照重量百分比准备制备受电弓碳滑条的骨料为：氧化石墨烯3％、半补强炭黑10％、石墨粉6％，沥青焦71％。
骨料与中温煤沥青的重量比为74:26，中温煤沥青软化点为85℃，结焦值为58％，其中氧化石墨烯的拉伸模量为1.01TPa，极限强度116Gpa，半补强炭黑粒径为0.07mm，电阻率0.6μΩ·m，沥青焦的真密度2.10g/cm3，灰分0.45％，挥发分0.75％，石墨粉粒径为0.5mm，其中，将沥青焦进行破碎、磨粉、筛分，沥青焦粒径为0.5mm＜粒径≤2mm占总沥青焦的重量百分比55％，粒径≤0.15mm占总沥青焦的重量百分比45％，制备的骨料粒径为0.15mm-2mm。
(2)将上面准备好的骨料放进混捏锅内，搅拌速率为45r/min，搅拌30min，温度为160℃，然后将上面的中温煤沥青加热到220℃，然后通过沥青管道注入到混捏锅中与骨料充分搅拌，由此得到糊料。
(3)将得到的糊料在180℃下压制成圆柱体，进行下一步的塑性，将预成型的圆柱体进行挤压，得到生坯制品。
(4)将上面的生坯制品放入氮气电炉中，在隔绝空气的条件下进行热处理，首先是以升温速率2.1℃/h从150℃升温到550℃温度；然后以升温速率1.1℃/h从550℃升温到900℃；最后以升温速率1.5℃/h从900℃升温到1400℃，得到满足条件的受电弓碳滑条要求的材料。
上面的升温过程中采用温度报警仪进行控制，保证温度报警仪的误差范围在5℃以内，产品内外结构没有裂纹。
对上面得到的碳滑条进行性能测试，测试结果见表1。
实施例6
(1)按照重量百分比准备制备受电弓碳滑条的骨料为：氧化石墨烯3％、半补强炭黑10％、石墨粉7％，沥青焦80％。
骨料与中温煤沥青的重量比为73:27，中温煤沥青软化点为87℃，结焦值为58％，其中氧化石墨烯的拉伸模量为1.01TPa，极限强度116Gpa，半补强炭黑粒径为0.08mm，电阻率0.4μΩ·m，沥青焦的真密度2.50g/cm3，灰分0.45％，挥发分0.75％，石墨粉粒径为0.5mm，其中，将沥青焦进行破碎、磨粉、筛分，沥青焦粒径为0.5mm＜粒径≤2mm占总沥青焦的重量百分比57％，粒径≤0.15mm占总沥青焦的重量百分比43％，制备的骨料粒径为0.15mm-2mm。
(2)将上面准备好的骨料放进混捏锅内，搅拌速率为45r/min，搅拌35min，温度为170℃，然后将上面的中温煤沥青加热到220℃，然后通过沥青管道注入到混捏锅中与骨料充分搅拌，由此得到糊料。
(3)将得到的糊料在180℃下压制成圆柱体，进行下一步的塑性，将预成型的圆柱体进行挤压，得到生坯制品。
(4)将上面的生坯制品放入氮气电炉中，在隔绝空气的条件下进行热处理，首先是以升温速率2.0℃/h从150℃升温到550℃温度；然后以升温速率1.0℃/h从550℃升温到900℃；最后以升温速率1.4℃/h从900℃升温到1400℃，得到满足条件的受电弓碳滑条要求的材料。
上面的升温过程中采用温度报警仪进行控制，保证温度报警仪的误差范围在5℃以内，产品内外结构没有裂纹。
对上面得到的碳滑条进行性能测试，测试结果见表1。
表1碳滑条性能测试结果
由表1可以看出，采用氧化石墨烯制备的受电弓碳滑条的导电性能好、机械强度高、抗冲击性能好、耐磨损。
试验例
该试验例在制备方法相同的条件下考察了不同配料对制得的受电弓碳滑条的性能参数的影响。
对照品1：骨料中将氧化石墨烯换成天然石墨制备受电弓碳滑条，制备方法同实施例1；性能测试结果见表2。
对照品2：骨料中不加半补强炭黑制备受电弓碳滑条，制备方法同实施例1；性能测试结果见表2。
对照品3：骨料中半补强炭黑的粒径范围为：0.1mm≤粒径≤0.15mm，制备方法同实施例1；性能测试结果见表2。
表2、各对照品的性能测试结果