一种在碳滑块中均匀生长石墨烯的方法及装置

本发明涉及石墨烯碳基复合材料制备，具体涉及到一种在碳滑块中均匀生长石墨烯的方法及装置。

背景技术：

1、石墨烯是一种具有碳原子六方晶格的单原子二维片状材料，具有优良的导电性、导热性、润滑性和机械性能，成为了众多材料的一种优良添加剂。碳滑块主要应用于高铁弓网系统中的受电弓滑板，受电弓滑板是列车获取能量的核心部件，受电弓滑板需要具有良好的导电性能、导热性能、机械性能才能在列车高速运行条件下正常工作，制备一种具备良好性能的碳滑板材料有着重要的意义。有关研究人员在制备碳滑板基体的过程中加入了非常少量的石墨烯后，滑板的电气性能和机械性能都得到了一定的提升。但是石墨烯作为一种片状的纳米材料，在基体中容易产生团聚现象，不能达到石墨烯改性的最优效果，制备一种石墨烯分散均匀的碳滑板具有重要的作用和价值。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种在碳滑块中均匀生长石墨烯的方法及装置，以解决石墨烯在碳滑块基体中分散不均匀的问题。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、一种在碳滑块中均匀生长石墨烯的方法，包括以下步骤：

4、步骤1、制备碳滑块；

5、步骤2、对碳滑块进行放电闪烧；

6、步骤3、对闪烧后的滑块烧结。

7、进一步的：

8、所述步骤1制备碳滑块的方法包括：将原料沥青焦、石油焦、炭黑按质量比3：3：2的比例混合后依次经过破碎、筛分、混捏、轧片、破碎、筛分，然后用液压机把筛分出的粉末压制成块。所述压制成的滑块的尺寸大小是100*35*20mm。在原料混捏过程中加入温沥青作为粘结剂，沥青焦、温沥青的质量比例为3：1，粘结剂能够把原料沥青焦、石油焦、炭黑很好的粘接在一起，提高材料的紧密程度。

9、所述步骤2对碳滑块进行放电闪烧的方法包括：将制备好的碳滑块放进闪烧腔体内，调节电容器组件的电压对碳滑块放电闪烧500-1000ms，闪烧时间的不同会导致碳基体中石墨烯的含量不同，闪烧结束后碳基体内会产生均匀分散的石墨烯。

10、所述步骤3对闪烧后的滑块烧结的方法，包括将闪烧过后的滑块放进高温烧结炉烧结。具体的，制备好的滑块放进闪烧腔体内，调节电容器组件的电压对碳滑块进行放电闪烧，调节电容电压为400～450v。通过调节信号发生器的输出波形为脉冲波行来控制继电器开关的开通时间，以此来控制放电时间，控制放电时间为500～1000ms。烧结时保持真空环境，避免原料及石墨烯被氧化降低碳基体的性能，烧结时间为5～7天。

11、本发明的有益效果是：碳滑块基体中的石油焦、炭黑都是含碳量非常丰富的原料，通过电容器组件在极短的时间内对碳基体放电，碳基体中会流过一个瞬时的大电流，这个电流会让碳基体产生极高的温度，碳基体经过瞬间的高温热退火后，里面碳原子周围的化学键会被打乱，然后重新组合产生均匀分散的石墨烯。

12、进一步的，所述对闪烧后的滑块烧结的步骤包括将闪烧过后的滑块放进高温烧结炉烧结。烧结后，碳基体内的大量气体被排出，提高了碳基体的紧密程度，由于闪烧产生的石墨烯能让沥青焦、石油焦、炭黑更好的连接在一起，产生完整的碳/石墨_石墨烯_碳/石墨结构，碳基体的紧密程度进一步提高。由于碳基体中石墨烯的引入，能提高碳基体的导电性能、导热性能以及机械性能。

13、还提供一种在碳滑块中均匀生长石墨烯的装置，用于所述的方法，装置包括：长方体闪烧腔体、电容器组件、电容器充电组件、电容器放电组件、直流电源。所述长方体闪烧腔体为五个亚克力玻璃板组成的盒体，顶面没有封闭，第一圆形铜电极和第二圆形铜电极分别设在两个侧边的亚克力玻璃板上，第一圆形铜电极和第二圆形铜电极分别与电容器组件两端连接；长方体闪烧腔体的内部尺寸大小是100*35*20mm，每块亚克力玻璃板的厚度是3mm；

14、所述电容器组件包括多个电解电容器并联，并且反并联了一个二极管；

15、所述电容器充电组件包括与电容器组件依次连接的直流电源、电阻、按压式开关；直流电源的额定电压是800v，通过按压开关，电源就会通过电阻对电容器充电，松开开关就停止充电。

16、所述电容器放电组件包括依次连接的信号发生器、毫秒级继电器开关、直流接触器；直流接触器连接在第一圆形铜电极上；毫秒级继电器开关上设有开关电源。继电器开关通过开关电源供电，调节信号发生器输出为脉冲波形，调节脉冲波形的宽度控制继电器开通时间，同时继电器开关控制直流接触器的连通，进而控制闪烧过程的放电时间。

技术特征：

1.一种在碳滑块中均匀生长石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种在碳滑块中均匀生长石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤1制备碳滑块的方法包括：将原料沥青焦、石油焦、炭黑按质量比3：3：2的比例混合后依次经过破碎、筛分、混捏、轧片、破碎、筛分，然后用液压机把筛分出的粉末压制成块。

3.根据权利要求2所述的一种在碳滑块中均匀生长石墨烯的方法，其特征在于，在原料混捏过程中加入温沥青作为粘结剂，沥青焦、温沥青的质量比例为3：1。

4.根据权利要求2所述的一种在碳滑块中均匀生长石墨烯的方法，其特征在于，所述压制成的滑块的尺寸大小是100*35*20mm。

5.根据权利要求1所述的一种在碳滑块中均匀生长石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤2对碳滑块进行放电闪烧的方法包括：将制备好的碳滑块放进闪烧腔体内，调节电容器组件的电压对碳滑块放电闪烧，闪烧时间为500-1000ms，闪烧时间的不同会导致碳基体中的石墨烯含量不同，闪烧结束后碳基体内产生均匀分散的石墨烯。

6.根据权利要求1所述的一种在碳滑块中均匀生长石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤3对闪烧后的滑块烧结的方法，包括将闪烧过后的滑块放进高温烧结炉烧结。

7.根据权利要求6所述的一种在碳滑块中均匀生长石墨烯的方法，其特征在于，烧结时保持真空环境，烧结时间为5～7天。

8.一种在碳滑块中均匀生长石墨烯的装置，其特征在于，用于权利要求1到7任一项所述的方法，装置包括：长方体闪烧腔体(1)、电容器组件(2)、电容器充电组件、电容器放电组件、直流电源。所述长方体闪烧腔体(1)为五个亚克力玻璃板组成的盒体，顶面没有封闭，第一圆形铜电极(11)和第二圆形铜电极(12)分别设在两个侧边的亚克力玻璃板上，第一圆形铜电极(11)和第二圆形铜电极(12)分别与电容器组件(2)两端连接；

9.根据权利要求8所述的一种在碳滑块中均匀生长石墨烯的装置，其特征在于，所述的长方体闪烧腔体(1)的内部尺寸大小是100*35*20mm，每块亚克力玻璃板的厚度是3mm。

技术总结
本发明公开了一种在碳滑块中均匀生长石墨烯的方法及装置，包括以下步骤：制备碳滑块，对碳滑块进行放电闪烧，对闪烧后的滑块烧结。通过闪烧这一步骤可以在碳基体内均匀生长石墨烯，想比于在制备过程往碳基体中直接添加石墨烯，解决了石墨烯在碳基体里分散性不好的问题。烧结后，在碳基体中生长出的石墨烯能更好的把碳基连接在一起形成完整的碳/石墨_石墨烯_碳/石墨结构，提高了碳滑块的抗压、抗折强度以及导热性能。该方法经济方便，能源消耗少。

技术研发人员：魏文赋,周山刚,贾千喜,曾正洪,杨泽锋,高国强,吴广宁
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13