本发明涉及一种电力机车受电弓碳滑板用碳条，特别涉及一种高速铁路用受电弓碳滑板用碳条，属于电力机车
技术领域：
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背景技术：
：电力机车是从接触网获取电能，用牵引电机驱动的机车。随着电气化铁道的发展，电力机车也得到了飞速的发展，从直流电机机车到交流传动电力机车。1979年第一台大功率交流传动机车在德国诞生，引来了电力机车的发展的新纪元。为了获得大的运力，较高的速度，电力机车的功率越来越大。1961年中国第一条电气化线路宝鸡到凤州线建成，电力机车的功率从4740kw，发展到6400kw，到现在的9600kw。我国铁路干线采用的是25kv，50hz的接触网供电方式。功率为9600kw的电机机车，电力机车交流传动电机的效率为80％-85％，需要从接触网获得480a电流，如果再考虑一定的过载能力，则需要获得的1000a电流。电力机车通过受电弓碳滑板从接触网受流，传导到交流传动电机和机车上的其它电气设备，再通过接地碳刷，引导到大地，从而形成回路。受电弓碳滑板碳条具有优越的耐磨性，而且对接触网的磨耗很小，具有较好的导电性，从而得到广泛的运用。但随着机车功率的增大，如前所述，受流的电流在增大，纯碳滑板已经不能满足要求，需要能承载更大电流密度的材料，由此诞生了浸渍金属的碳滑板。它通过纯碳碳条浸渍金属的方法，来降低其电阻率，提高其允许承载的电流密度。铁路的电气化和高速化是目前世界铁路运输发展的趋势。随着中国经济的快速发展，中国的铁路电气化建设也进入了一个崭新的发展时期，同时也对弓网系统提出了更高的要求。弓网系统是电气化列车运行的主要动力来源，它主要由接触网和受电弓两部分构成，接触网线大多采用纯铜或铜合金材料，而作为电力机车从接触网线导入电能的滑板材料，其发展经历了一个漫长而复杂的过程。在受电弓滑板的研究和应用方面，其材料主要经历了纯金属滑板、粉末冶金滑板、纯碳滑板、浸金属碳滑板等发展过程。而现有碳滑板冲击韧性较差，在接触网线的硬点冲击下，容易出现和发生碳滑板掉块现象，甚至会出现较大面积的掉块，尤其是碳滑板高速运行更甚，影响电动机车尤其是高铁的运行。技术实现要素：本发明的目的是针对现有技术中的难题，提供一种高速铁路用受电弓碳滑板用碳条及其制备方法，本发明通过在碳条中加入石墨烯，提高了碳滑板的冲击韧性和强度，提高碳滑板的可靠性和耐磨性，并延长碳条的使用寿命。为实现上述目的，本发明提供了一种受电弓碳滑板用碳条，由如下原料制备而成：炭黑、焦炭、碳纤维、石墨、沥青、石墨烯。其中，所述焦炭选择沥青焦、煤焦或石油焦。特别是，所述原料的重量份配比为：炭黑5-50、焦炭30-60、碳纤维2-10、石墨3-15、沥青20-43、石墨烯0.5-5；优选为炭黑30-40、焦炭40-50、碳纤维2-5、石墨10-15、沥青25-35、石墨烯3-5；进一步优选为炭黑35、焦炭45、碳纤维3.5、石墨12.5、沥青30、石墨烯4。本发明又一方面提供一种受电弓碳滑板碳条，通过如下方法制备而成：1)将受电弓碳滑板用碳条原料加入混捏锅内进行混捏处理，制得混合料；2)对所述混合物料进行预压制处理，制得碳滑板用碳条初坯；3)将碳滑板用碳条初坯置于挤压机中进行挤压成型处理，制成碳滑板用碳条坯；4)通过对所述碳滑板用碳条坯进行焙烧处理，制得受电弓碳滑板用碳条。其中，所述受电弓碳滑板碳条原料包括：炭黑、焦炭、碳纤维、石墨、沥青、石墨烯。特别是，所述原料中焦炭选择沥青焦、煤焦或石油焦。尤其是，所述受电弓碳滑板碳条原料的重量份配比为：炭黑5-50、焦炭30-60、碳纤维2-10、石墨3-15、沥青20-43、石墨烯0.5-5；优选为炭黑30-40、焦炭40-50、碳纤维2-5、石墨10-15、沥青25-35、石墨烯3-5；进一步优选为炭黑35、焦炭45、碳纤维3.5、石墨12.5、沥青30、石墨烯4。其中，所述炭黑为黑色粉末，粒度为44-420μm。特别是，所述焦炭的粒度为26-350μm。尤其是，所述碳纤维的长度为0.5-5mm，碳纤维质量轻、强度大、硬度高，用其作为原料制备的材料机械强度高，抗折强度大。特别是，所述石墨的粒度为26-150μm。其中，所述石墨烯是单层或是多层石墨烯，材料很薄，强度韧性很好，断裂强度比最好的钢材还要高200倍，具有较高的导电性。特别是，所述沥青为黑褐色粘稠液体，软化点温度75℃-90℃。碳纤维的加入是为了增加碳条的抗折强度，石墨的加入是为了增加碳条的自润滑性，沥青起粘接作用。炭黑、焦炭作为碳条的骨料使用，碳纤维既能增加碳条的韧性和抗折强度又能增加其耐磨性，石墨能减小碳条的摩擦系数，石墨烯的添加能增加碳条的韧性和耐磨性。其中，步骤1)中所述原料于混捏锅内进行混捏处理按照如下步骤进行：1a)将原料炭黑、焦炭、碳纤维、石墨和石墨烯(除沥青外的材料)加入混捏锅内进行第一次混捏处理；1b)加入原料沥青，进行第二次混捏处理；1c)混合均匀后的混合料冷却至100℃-120℃。特别是，第一次、第二次混捏处理的温度为120℃-180℃；第一次混捏处理时间为20-50min；第二次混捏处理时间为40-90min。其中，步骤2)中所述压制处理是将所述混合料置于液压机中，压制处理，制成圆柱状碳滑板用碳条初坯。特别是，所述压制处理的温度为室温(15-35℃)；压制时间为1-3s。尤其是，所述压制处理的压强为4-8mpa。其中，步骤3)中所述挤压成型处理包括如下顺序进行的步骤：3a)将压制处理的圆柱状碳滑板用碳条初坯置于挤压机中，加热并抽真空处理；3b)抽真空处理3-5min后，进行加压处理，将置于挤压机中的碳条挤出，形成条状碳条毛坯；3c)将碳条毛坯进行冷却定型处理，碳滑板用碳条坯。特别是，步骤3a)中加热的温度为80-180℃；抽真空处理至挤压机中的相对压力<0mpa，优选为0～-0.1mpa，进一步优选为-0.07～-0.099mpa；步骤3b中所述抽真空处理时间优选为4min；所述加压处理过程中控制温度为80-180℃；加压的相对压力为5-20mpa，优选为10-20mpa；步骤3c)中所述冷却定型处理是将碳条毛坯冷却至室温(通常为20-35℃)。冷却的目的：定型(在温度较高时，碳条初坯是软的，形状会随着外力或是重力影响变化)其中，步骤4)所述焙烧处理的温度为1000-1500℃，处理时间为120-360h，优选为120-312h。特别是，将所述碳滑板碳条坯置于焙烧炉中，在48-192h内将炉内温度提升至1000-1500℃，并在此温度下保温72-120h。尤其是，在焙烧炉内温度提升速率为5.2-31.25℃/h，优选为5.2-21℃/h。焙烧处理过程中，首先是使低温挥发分挥发掉，温度继续升高，碳材料中的粘接剂开始碳化，碳材料收缩，颗粒间的距离变小，表面能降低，致使颗粒间的结合力增加，碳材料的硬度、强度、韧性变大，电阻率降低。本发明的高铁用受电弓碳滑板用碳条是纯碳碳条，如有需要后续还可以通过高温高压浸渍金属成为浸金属碳条。纯碳碳条载流能力相对于浸金属碳条更低些。随着高铁速度的大幅提高，对受电弓用碳滑板碳条提出了更高的要求，主要体现在要求有更高耐磨性才能满足要求。本发明的目的是提高碳滑板的耐磨性，即提高碳滑板的使用寿命。原料的作用一致，增加石墨烯是为了提高碳条的耐磨性，延长碳条的使用寿命。本发明的优点和有益技术效果如下：1、本发明的高铁受电弓碳滑板用碳条中通过加入石墨烯，使得制备的碳条的强度增加，使用寿命延长。2、本发明的高铁受电弓碳滑板用碳条中通过加入石墨烯，使得制备的碳条电阻率低，导电能力强，电阻率≤40μωm，抗折强度好，抗折强度≥30mpa。3、本发明的高铁受电弓碳滑板碳条的硬度合适，洛氏硬度达到hs60-100；碳条的强度高，抗折强度和冲击韧性均有显著提高，抗折强度达到≥30mpa以上；耐冲击韧性达到≥0.15j/cm2。4、本发明的高铁受电弓碳滑板碳条的耐磨性能好、摩擦系数低于0.15。5、本发明的高铁用受电弓碳滑板碳条的制备工艺简单，不需要使用特殊的设备，成本低，非常适合大规模工业化生产。本发明的碳滑板用碳条提高了碳滑板的冲击韧性，避免不必要的碳滑板掉块(尤其是大面积掉块)现象，提高碳滑板的可靠性，而且还提高了碳滑板的耐磨性，而碳滑板对接触线磨耗没有增加。本发明的高铁用受电弓碳滑板碳条具有电阻率低，能够很好的满足碳滑板集流、引流要求；冲击韧性好，能够很好的适应接触网线的硬点冲击，避免了不必要的碳滑板大面积掉块现象；碳条的抗折强度好，能满足高铁高速运行需要的机械性能要求。具体实施方式下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。实施例11、按照如下重量份配比准备原料2、混捏处理将炭黑、焦炭、碳纤维、石墨、石墨烯原料加入到混捏锅中，搅拌，进行第一次混捏处理，第一次混捏处理过程中控制温度为160℃；混捏处理35min后，加入原料沥青，继续在温度为160℃的条件下进行第二次混捏处理；混捏处理60min后，自然冷却降温至120℃，得到混合的粘稠状物料；混捏处理过程中将各辅材均匀分布在主材(炭黑和焦炭)里，并将各材料表面均匀的覆盖一层粘接剂(沥青)；石墨烯是单层或是多层石墨烯，材料很薄，强度韧性很好，本身又有很好的自润滑性。与之混合的焦炭、炭黑的粒度较小，采用适宜的混合(例如混捏等)方法将原料混合均匀后，石墨烯包覆在焦炭、炭黑颗粒的表面，既可改变颗粒间的界面状态，增加材料的韧性和流动相，又可以使石墨烯的特性得到充分的发挥，便于后续挤压成型。石墨烯和碳纤维协同作用下，使本发明的碳条冲击韧性大大提高，提高碳条的抗折强度，避免不必要的碳滑板掉块或大面积掉块现象，耐磨性也有提高。本发明中其他的原料混合方法均适用于本发明，例如断续混捏和连续混捏，以及其他混捏方式均适用于本发明。只要是能够使各材料均匀分布的混捏方式都是适合的。冷却降温使得沥青能够基本凝固，不会从颗粒表面流下来，能够很好的附着在颗粒表面。3、预压制处理将粘稠状的混合料加入到立式液压机的模腔内，于室温下进行预压制处理，得到圆柱状碳滑板碳条初坯；其中，预压的压强为7mpa，预压的时间为2s；压制处理使得混捏好的混合物料制成圆柱状，初步挤出物料中混杂的空气便于物料放置于挤压机，不散坯。4、挤压成型处理4-1)将经过热压处理后的圆柱状碳滑板碳条初坯取出，置于挤压机的料腔中，对挤压机的料腔进行加热并抽真空处理，其中控制加热温度至160℃，并在温度保持为160℃的条件下，对料腔内碳条初坯进行抽真空处理，控制料腔内相对压力为-0.095mpa；抽真空处理的目的是进一步排出物料中的空气，防止物料中存在空气导致挤压成型时，因空气的存在使颗粒间形成气隙带，在后续的焙烧过程中，由于空气的热胀冷缩性大，使得焙烧的产品产生内裂纹，影响产品的品质，导致产品碳条的结合力低，抗折强度差，产品成品率低。4-2)抽真空处理5min后，对料腔内碳条初坯进行加压处理，将碳条挤出，形成条状碳条毛坯，其中加压处理过程中保持温度为160℃，压力为15mpa；4-3)挤压形成的条状碳条毛坯置于定型模具中，进行冷却定型处理，直至毛坯温度降低至室温，制得碳滑板用碳条坯。5、焙烧处理将碳滑板碳条坯置于焙烧炉中，在100h内将炉内温度提升至1000℃，升温速率为10℃/h，并在此温度下保温80h，进行焙烧处理，得到碳滑板碳条。焙烧的目的是使粘接剂碳化，碳材料收缩，颗粒表面能降低，颗粒间的结合力增加，碳材料的硬度、强度、韧性变大，电阻率降低，得到性能稳定的碳材料。6、性能测试对制备的碳滑板碳条进行性能测试，测试结果见表1。实施例21、按照如下重量份配比准备原料2、混捏处理将炭黑、焦炭、碳纤维、石墨、石墨烯原料加入到混捏锅中，搅拌，进行第一次混捏处理，第一次混捏处理过程中控制温度为120℃；混捏处理50min后，加入原料沥青，继续在温度为120℃的条件下进行第二次混捏处理；混捏处理90min后，自然冷却降温至100℃，得到粘稠状混合物料；3、预压制处理将粘稠状的混合料加入到立式液压机的模腔内，于室温下进行预压制处理，初步排除混合物料中的空气，得到圆柱状碳滑板碳条初坯；其中，预压的压强为8mpa，预压的时间为1s；4、挤压成型处理4-1)将经过热压处理后的圆柱状碳滑板碳条初坯取出，置于挤压机的料腔中，对挤压机的料腔进行加热并抽真空处理，其中控制加热温度至180℃，并在温度保持为180℃的条件下，对料腔内碳条初坯进行抽真空处理，控制料腔内相对压力为-0.090mpa；4-2)抽真空处理3min后，对料腔内碳条初坯进行加压处理，将碳条挤出，形成条状碳条毛坯，其中加压处理过程中保持温度为180℃，压力为5mpa；4-3)挤压形成的条状碳条毛坯置于定型模具中，进行冷却定型处理，直至毛坯温度降低至室温，制得碳滑板用碳条坯。5、焙烧处理将碳滑板碳条坯置于焙烧炉中，在48h内将炉内温度提升至1000℃，升温速率为20.83℃/h，并在此温度下保温120h，进行焙烧处理，得到碳滑板碳条。6、性能测试对制备的碳滑板碳条进行性能测试，测试结果见表1。实施例31、按照如下重量份配比准备原料2、混捏处理将炭黑、焦炭、碳纤维、石墨、石墨烯原料加入到混捏锅中，搅拌，进行第一次混捏处理，第一次混捏处理过程中控制温度为180℃；混捏处理20min后，加入原料沥青，继续在温度为180℃的条件下进行第二次混捏处理；混捏处理40min后，自然冷却降温至110℃，得到粘稠状混合物料；3、预压制处理将粘稠状的混合料加入到立式液压机的模腔内，于室温下进行预压制处理，初步排除混合物料中的空气，得到圆柱状碳滑板碳条初坯；其中，预压的压强为4mpa，预压的时间为3s；4、挤压成型处理4-1)将经过热压处理后的圆柱状碳滑板碳条初坯取出，置于挤压机的料腔中，对挤压机的料腔进行加热并抽真空处理，其中控制加热温度至140℃，并在温度保持为140℃的条件下，对料腔内碳条初坯进行抽真空处理，控制料腔内相对压力为-0.095mpa；4-2)抽真空处理5min后，对料腔内碳条初坯进行加压处理，将碳条挤出，形成条状碳条毛坯，其中加压处理过程中保持温度为140℃，压力为15mpa；4-3)挤压形成的条状碳条毛坯置于定型模具中，进行冷却定型处理，直至毛坯温度降低至室温，制得碳滑板用碳条坯。5、焙烧处理将碳滑板碳条坯置于焙烧炉中，在100h内将炉内温度提升至1500℃，升温速率为15℃/h，并在此温度下保温72h，进行焙烧处理，得到碳滑板碳条。6、性能测试对制备的碳滑板碳条进行性能测试，测试结果见表1。实施例41、按照如下重量份配比准备原料2、混捏处理将炭黑、焦炭、碳纤维、石墨、石墨烯原料加入到混捏锅中，搅拌，进行第一次混捏处理，第一次混捏处理过程中控制温度为160℃；混捏处理30min后，加入原料沥青，继续在温度为160℃的条件下进行第二次混捏处理；混捏处理55min后，自然冷却降温至100℃，得到粘稠状混合物料；3、预压制处理将粘稠状的混合料加入到立式液压机的模腔内，于室温下进行预压制处理，初步排除混合物料中的空气，得到圆柱状碳滑板碳条初坯；其中，预压的压强为6mpa，预压的时间为2s；4、挤压成型处理4-1)将经过热压处理后的圆柱状碳滑板碳条初坯取出，置于挤压机的料腔中，对挤压机的料腔进行加热并抽真空处理，其中控制加热温度至80℃，并在温度保持为80℃的条件下，对料腔内碳条初坯进行抽真空处理，控制料腔内相对压力为-0.099mpa；4-2)抽真空处理5min后，对料腔内碳条初坯进行加压处理，将碳条挤出，形成条状碳条毛坯，其中加压处理过程中保持温度为80℃，压力为20mpa；4-3)挤压形成的条状碳条毛坯置于定型模具中，进行冷却定型处理，直至毛坯温度降低至室温，制得碳滑板用碳条坯。5、焙烧处理将碳滑板碳条坯置于焙烧炉中，在192h内将炉内温度提升至1000℃，升温速率为5.21℃/h，并在此温度下保温100h，进行焙烧处理，得到碳滑板碳条。6、性能测试对制备的碳滑板碳条进行性能测试，测试结果见表1。实施例51、按照如下重量份配比准备原料2、混捏处理将炭黑、焦炭、碳纤维、石墨、石墨烯原料加入到混捏锅中，搅拌，进行第一次混捏处理，第一次混捏处理过程中控制温度为150℃；混捏处理40min后，加入原料沥青，继续在温度为150℃的条件下进行第二次混捏处理；混捏处理65min后，自然冷却降温至100℃，得到粘稠装混合物料；3、预压制处理将粘稠状的混合料加入到立式液压机的模腔内，于室温下进行预压制处理，初步排除混合物料中的空气，得到圆柱状碳滑板碳条初坯；其中，预压的压强为6mpa，预压的时间为2s；4、挤压成型处理4-1)将经过热压处理后的圆柱状碳滑板碳条初坯取出，置于挤压机的料腔中，对挤压机的料腔进行加热并抽真空处理，其中控制加热温度至160℃，并在温度保持为160℃的条件下，对料腔内碳条初坯进行抽真空处理，控制料腔内相对压力为-0.090mpa；4-2)抽真空处理3min后，对料腔内碳条初坯进行加压处理，将碳条挤出，形成条状碳条毛坯，其中加压处理过程中保持温度为160℃，压力为10mpa；4-3)挤压形成的条状碳条毛坯置于定型模具中，进行冷却定型处理，直至毛坯温度降低至室温，制得碳滑板用碳条坯。5、焙烧处理将碳滑板碳条坯置于焙烧炉中，在100h内将炉内温度提升至1500℃，升温速率为15℃/h，并在此温度下保温100h，进行焙烧处理，得到碳滑板碳条。6、性能测试对制备的碳滑板碳条进行性能测试，测试结果见表1。实施例61、按照如下重量份配比准备原料2、混捏处理将炭黑、焦炭、碳纤维、石墨、石墨烯原料加入到混捏锅中，搅拌，进行第一次混捏处理，第一次混捏处理过程中控制温度为150℃；混捏处理40min后，加入原料沥青，继续在温度为150℃的条件下进行第二次混捏处理；混捏处理65min后，自然冷却降温至100℃，得到粘稠状混合物料；3、预压制处理将粘稠状的混合料加入到立式液压机的模腔内，于室温下进行预压制处理，初步排除混合物料中的空气，得到圆柱状碳滑板碳条初坯；其中，预压的压强为6mpa，预压的时间为2s；4、挤压成型处理4-1)将经过热压处理后的圆柱状碳滑板碳条初坯取出，置于挤压机的料腔中，对挤压机的料腔进行加热并抽真空处理，其中控制加热温度至140℃，并在温度保持为140℃的条件下，对料腔内碳条初坯进行抽真空处理，控制料腔内相对压力为-0.099mpa；4-2)抽真空处理4min后，对料腔内碳条初坯进行加压处理，将碳条挤出，形成条状碳条毛坯，其中加压处理过程中保持温度为140℃，压力为14mpa；4-3)挤压形成的条状碳条毛坯置于定型模具中，进行冷却定型处理，直至毛坯温度降低至室温，制得碳滑板用碳条坯。5、焙烧处理将碳滑板碳条坯置于焙烧炉中，在120h内将炉内温度提升至1250℃，升温速率为110.42℃/h，并在此温度下保温100h，进行焙烧处理，得到碳滑板碳条。6、性能测试对制备的碳滑板碳条进行性能测试，测试结果见表1。对照例1除了受电弓碳滑板用碳条的原料中不含有石墨烯之外，其他与实施例1相同。对制备的碳滑板碳条进行性能测试，测试结果见表1。对照例2除了受电弓碳滑板用碳条的原料中不含有石墨烯之外，其他与实施例2相同。对制备的碳滑板碳条进行性能测试，测试结果见表1。表1受电弓碳滑板用碳条产品性能检测结果从表1的数据可以看出，本发明受电弓碳滑板碳条通过加入石墨烯控制碳条强度、硬度和冲击韧性；原料中含有石墨烯的碳滑板碳条中由于含有均匀分布的石墨烯，与没有添加石墨烯的碳滑板碳条相比，碳条的电阻率低，电阻率≤22μωm，硬度提高，抗折强度提高和冲击韧性均有明显提高。试验例1受电弓碳滑板用碳条的使用寿命试验将本发明实施例1-5、对照例1-2制备的受电弓碳滑板用碳条进行磨耗实验，将本发明实施例1-5、对照例1-2制备的受电弓碳滑板用碳条加工成尺寸为120mm×34.5mm×25mm的长方形试样，在环-块式试验机上进行环-块式高速载流摩擦磨损试验，碳条与接触线接触(接触压力按70n±10n)，试验台带动接触线按250km/h的速度旋转，同时在碳条与接触线间通以500a电流。记录滑板高度磨耗比，滑板重量磨耗比，滑板对接触线磨耗比。测定结果如表2所示。表2受电弓碳滑板用碳条磨耗实验测定结果滑板高度磨耗比滑板重量磨耗比滑板对接触线磨耗比实施例10.8350.007实施例20.6290.007实施例30.7320.008实施例40.7310.007实施例50.5270.006实施例60.8360.007对照例11.0420.007对照例20.9400.007由表2的实验结果可知：本发明受电弓碳滑板碳条通过加入石墨烯的碳条的滑板高度磨耗比，滑板重量磨耗比显著降低，而碳滑板对节车厢磨耗不增加，说明本发明的碳滑板用碳条中添加石墨烯提高了碳条的耐磨性能，增加了碳滑板的韧性，碳滑板在高速运行过程中冲击韧性增强，可靠性提高，高速运行机车运行稳定。当前第1页12