本发明属于电力机车技术领域，尤其涉及一种碳纤维增强受电弓碳滑板的制备方法。
背景技术：
电力牵引的高速列车是通过受电弓碳滑板系统不间断地与接触网导线摩擦接触，将电网上的电流引导下来，传输给机车电力系统来维持电力机车正常运行的。受电弓碳滑板是一种集高导电性、抗磨性和减摩性能于一体的电接触材料。由于受电弓碳滑板长期暴露在自然环境中，常在干燥、潮湿甚至沙尘和雨雪等恶劣天气下工作，而且，在高速运行过程中，滑板与接触网导线不断产生电冲击与机械冲击磨耗，因而成为电力机车中更换最频繁，消耗量最大的部件。因此选择具有优良综合性能的受电弓碳滑板成为必然，其所需具备的条件为：良好的导电性能；优良的抗磨损性和自润滑性；机械强度高，能经受一定振动和冲击载荷且不损坏；硬度值低于接触导线的硬度；轻量化。
而目前，国内的受电弓碳滑板通常采用石墨、焦碳粉、碳黑、沥青焦、石油焦等作为主要原料，合适的粘结剂，通过传统的糊料热挤压、焙烧碳化工艺制造而成。但碳与石墨有着一个共同的缺点就是电阻较高，该基材在焙烧后电阻一般为40～80mω·m，抗压强度和抗冲击强度均较低，产品内部微裂纹较多，且易折断、电阻率过高且易发热从而导致性能下降等问题，致使产品性能不稳定，碳和石墨基材的性能远远满足不了高速动车组的运行要求，难以实现批量大规模生产。
技术实现要素：
本发明正是为了克服上述不足，所要解决的技术问题是提供一种电阻率低、机械强度高、抗磨损性和自润滑性优异的碳纤维增强受电弓碳滑板的制备方法。
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案如下：
一种碳纤维增强受电弓碳滑板的制备方法，包括以下步骤：
1)按照中温沥青25-45wt％；石墨35-50wt％；碳纤维1-15wt％；硅灰石1-10wt％；铜粉1-15wt％选取上述原料(石墨和中温沥青的质量比优选为1:0.8)；
2)将中温沥青和石墨连续混捏破碎后得到石墨-沥青混捏物，并高速粉碎；
3)将石墨-沥青混捏物、碳纤维、硅灰石及铜粉在高速混合机中混匀后放入模具内，然后在平板硫化机内进行热压，热压温度为200℃～350℃、压力为15～30mpa、保压时间为30～40min，然后脱模；
4)将脱模后的试样进行焙烧；
5)将焙烧后的样品和浸渍沥青放置在减压蒸馏釜中，加热到140～180℃，预热20min后，进行抽真空加压浸渍，真空度为0.1mpa，压力维持在0.4～1.0mpa，保压时间为30min～90min；
6)重复步骤4)至5)多次，最后按照步骤4)进行焙烧，冷却后进行机械处理即可得所述碳纤维增强受电弓碳滑板。
上述方案中，步骤5)中的浸渍沥青的软化点为80-90℃，喹啉不容物含量＜0.3％，甲苯不溶物含量为12％-20％，结焦值为50％-55％，灰分＜0.2％。
上述方案中，步骤2)中得到石墨-沥青混捏物的具体步骤为：将石墨和中温沥青放入双螺杆混捏造粒机，混捏温度为120℃～170℃、喂料转速为120rpm；然后在室温下，采用塑料粉碎机将冷却的混捏物料粉碎。
上述方案中，步骤4)中焙烧采取三段式程序升温温度分别为室温-200℃，200℃-800℃，800℃-1100℃。
上述方案中，步骤1)中的石墨、碳纤维、硅灰石及铜粉均分别经过硅烷偶联剂处理。
上述方案中，硅烷偶联剂处理的具体步骤如下：
1)将待处理的石墨、碳纤维、硅灰石或铜粉中的任一种物质与氨基硅烷偶联剂按照质量比为100:0.2-1混合，然后加入乙醇混合均匀后；
2)添加醋酸作为水解催化剂，并将ph值调至3.5～5.5；
3)将反应装置密封，并按2-5℃/min的升温速率加热至90-100℃，在此温度下机械搅拌4-6小时后自然降温至室温；
4)将化合物置入离心机中，离心后进行抽滤，将抽滤后的物料经行真空干燥，保温温度在100-120℃，保温时间8-10小时，制得无机物偶联物。
上述方案中，所述步骤1)中的石墨为粉末状，其平均粒度为80-100目，电阻率为80～130μω·m；所述步骤1)中的铜粉的电阻率为1～3×10-2μω·m。
上述方案中，所述步骤1)中的中温沥青的水分≦0.3％，灰份≦1％，软化点为85-100℃。
上述方案中，所述步骤1)中的碳纤维为短碳纤维，长度为1-10mm；所述步骤1)中的铜粉的电阻率为1～3×10-2μω·m。
上述方案中，所述步骤1)中的硅灰石的组成为：粒度为1200目占70-80wt％；粒度为1000目占20-30wt％。
本发明的技术构思为：在碳滑板中添加硅灰石，由于硅灰石的热膨胀系数低，因此可以有效地减少受电弓碳滑板材料坯体收缩率，含硅灰石的坯体还具有较高的机械强度和较低的介电损失。添加少量分散均匀的短碳纤维可使纯碳整体受电弓滑板材料的抗折强度提高至20mpa以上，通过添加短碳纤维和硅灰石达到高速电力机车用纯碳整体受电弓滑板的综合性能要求。并且采用浸渍工艺来进一步提高受电弓碳滑板的整体强度，改善其性能。
本发明的有益效果如下：(1)本发明针对所采用的现有产品存在着导电性差、滑板强度低、价格昂贵、运行寿命短，经过配方和工艺的双重改进，提供一种导电性能好，机械强度高、硬度较大，抗磨损性好的受电弓碳滑板；(2)本发明采用石墨和沥青作为基材对导线的磨损小，自润滑性能好，同时自身且耐磨；(3)本发明所述碳纤维增强受电弓碳滑板强度高，摩擦系数小，质量轻，能够减少对接触网的损害；(4)本发明制备工艺简单，成本低，有望实现产业化应用。
附图说明
图1是实施例1的碳纤维增强受电弓碳滑板材料放大500倍的sem图。
图2是实施例1的碳纤维增强受电弓碳滑板材料放大2000倍的sem图。
图3是实施例5的碳纤维增强受电弓碳滑板材料放大500倍的sem图。
图4是实施例5的碳纤维增强受电弓碳滑板材料放大2000倍的sem图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本发明采用的石墨为粉末状，其平均粒度为80-100目，电阻率为80～130μω·m；中温沥青的水分≦0.3％，灰份≦1％，软化点为85-100℃；碳纤维为短碳纤维，长度为1-10mm；所述硅灰石的组成为：粒度为1200目：70-80％、粒度为1000目：20-30％；所述铜粉的电阻率为(1～3)×10-2μω·m；所选的浸渍沥青软化点为80-90℃，喹啉不容物含量(qi)＜0.3％，甲苯不溶物含量(ti)为12％-20％，结焦值为50％-55％，灰分＜0.2％。
实施例1
本实施例提供一种碳纤维增强受电弓碳滑板的制备方法，包括如下步骤：
1、无机填料的偶联处理
(1)将待处理的石墨与氨基硅烷偶联剂按照质量比为100:0.2-1混合，然后加入乙醇混合均匀后；
(2)然后向反应器中添加醋酸作水解催化剂，并将ph值调至5；
(3)将反应器密封，并按5℃/min的升温速率加热至90℃，在此温度下机械搅拌5小时后自然降温至室温；
(4)将化合物置入离心机中，离心后进行抽滤，将抽滤后的物料经行真空干燥，保温温度在100℃，保温时间8小时，制得无机物偶联物。
同时，针对碳纤维、硅灰石及铜粉采取同样的步骤进行偶联处理。
2、制备石墨-沥青混捏物
(1)按照中温沥青35.6wt％；石墨44.4wt％；碳纤维8.27wt％；硅灰石4.13wt％；铜粉7.6wt％选取上述原料；
(2)将中温沥青和石墨放入双螺杆混捏造粒机，混捏温度为150℃、料压为20mpa、喂料转速：120rpm；
(3)待温度冷却为室温时，采用塑料粉碎机将物料粉碎，重复混捏和粉碎操作4次；再使用高速搅拌机(转速为28000r/min)将石墨-沥青混捏物粉碎至50-100目，制得步骤2)所述石墨-沥青混捏物。
3、制造碳纤维增强受电弓碳滑板
(1)将石墨-沥青混捏物、碳纤维、硅灰石及铜粉放入高速搅拌器内，进行高速搅拌10分钟，使混合料充分混匀；
(2)称取计算量混匀的物料放入模具内，然后在平板硫化机内进行热压，热压温度为200℃，压力为20mpa，在以上条件下保压30min，再将模具和样品一同放入冷却水中，冷却脱模；
(3)将脱模后的试样埋入装满石英砂的坩埚中，隔绝空气，然后放置在在马弗炉内烧固，分为三段采取程序升温：室温-200℃(1h完成升温过程)，200℃-800℃(6h完成升温过程)，800℃-1100℃(1h完成升温过程)。待冷却后，取出样品；
(4)将浸渍沥青和焙烧后的样品放置在减压蒸馏釜中，一起加热到160℃，进行预热20min后，进行抽真空加压浸渍，真空度为0.1mpa，压力维持在0.7mpa，保压时间为60min；
(5)再将浸渍后的样品进行二次焙烧，焙烧要求与步骤(4)相同，冷却后再进行机械处理即可得成品。
实施例2
本实施例与实施例1大致相同，不同的是制备石墨-沥青混捏物步骤中的石墨与中温沥青的配比为1：1。
实施例3
本实施例与实施例1大致相同，不同的是制备石墨-沥青混捏物步骤中的石墨与中温沥青的配比为1：0.6。
实施例4
本实施例与实施例1大致相同，不同的是29.1wt％沥青，36.4wt％石墨，碳纤维13.13wt％，硅灰石6.57wt％，铜粉14.8wt％。
实施例5
本实施例与实施例1大致相同，不同的是在3、制造碳纤维增强受电弓碳滑板的过程中，步骤(3)的焙烧进行4次，步骤(5)的浸渍进行3次。
实施例6
本实施例与实施例1大致相同，不同的是压力维持在1.0mpa，保压时间为90min。
将实施例1-6制造的碳纤维增强受电弓碳滑板进行性能测试，结果如下表所示：
从图1至图4可以看出经过浸渍的碳纤维增强受电弓滑板材料的组织更加致密。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。