專利名稱：一種碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新材料領(lǐng)域，尤其涉及一種碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法。
背景技術(shù)：
目前的電力機車受電弓滑板主要有普通碳滑板、粉末冶金滑板和浸潰金屬碳滑板。普通碳滑板的潤滑性能、減磨性能以及耐電弧性能都比較好，重量輕、噪音小，在使用過程中，會在接觸網(wǎng)導(dǎo)線上形成一層薄膜，大大改善了對接觸網(wǎng)導(dǎo)線的磨損，同時，它還具有良好的接觸穩(wěn)定性，對無線電信號干擾小，但是，碳滑板機械強度低、脆性大，易掉塊和斷裂，不僅使用壽命低，而且容易引發(fā)弓網(wǎng)事故。粉末冶金滑板主要以銅粉或鐵粉為基體原料，并加其他金屬粉末和非金屬粉末壓制燒結(jié)而成，它具有機械強度高、抗沖擊等優(yōu)點，但是它對銅接觸網(wǎng)導(dǎo)線的磨損非常嚴重，而且在使用中易發(fā)生電弧，不但增大了機械磨損和·電弧磨損，還干擾了無線電信號。浸潰金屬碳滑板是在高溫高壓下將普通碳滑板浸潰液體金屬，使碳基體中形成細密的金屬網(wǎng)，從而保證該材料具有比普通碳滑板高的強度和良好的導(dǎo)電性，但該滑板制備工藝復(fù)雜，成本高，性能穩(wěn)定性較差，而且對銅接觸導(dǎo)線的磨損較嚴重。隨著列車的不斷提速，上述滑板越來越不能滿足高速電氣列車對滑板的要求，因而迫切需要一種具有良好的導(dǎo)電性、耐磨性和抗沖擊韌性等性能，同時對接觸網(wǎng)線導(dǎo)線磨耗小和無線電信號干擾小的新型滑板。為了解決上述受電弓滑板的不足，相繼研制開發(fā)了各種改進型的受電弓滑板，如銅基粉末冶金滑板加固體潤滑條組成的機械復(fù)合式銅基粉末冶金滑板，增加碳條強度的鋁包碳滑板，碳纖維增強碳滑板，碳纖維增強金屬基滑板，金屬/碳復(fù)合滑板等。這些滑板雖然對接觸網(wǎng)導(dǎo)線磨耗較小，但是電阻率大，抗壓強度低。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明設(shè)計開發(fā)了一種碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法，目的在于降低滑板的電阻率，提高抗壓強度，同時減小滑板本身的摩擦系數(shù)，延長使用壽命。本發(fā)明提供的技術(shù)方案為一種碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法，包括以銅、鋁為基體材料，以碳納米管為增強材料，以碳為自潤滑耐磨材料，其中銅含量為50wt % 66wt %，鋁含量為5wt % 13wt %，碳納米管含量為2. 02wt % 6wt %，碳含量為13wt % 25wt %,硫酸鋇含量為3wt % 5wt %, 二氧化娃含量為4wt % 7wt % ,鎳含量為I. 26wt % 4. 37wt %，錫含量為I. 83wt % 5. 07wt %，鈮含量為0. 2Iwt % 0. 73wt ,各組分含量均為重量百分比。優(yōu)選的是，所述的碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法中，所述碳納米管和碳在冷壓前需要進行鍍銅預(yù)處理，碳納米管銅鍍層的厚度為80 120nm，碳銅鍍層的厚度為I. 5 6 li m。優(yōu)選的是，所述的碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法中，所述碳納米管的直徑為10 40nm，碳納米管的長度為20 200 u m。優(yōu)選的是，所述的碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法中，所述的碳包括石墨、焦炭和炭黑，其中石墨含量為10 21%，焦炭含量為3 8%，炭黑含量為0 5%。
優(yōu)選的是，所述的碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法中，包括步驟一、對碳納米管和碳進行表面化學(xué)鍍銅處理，將碳納米管和碳放入濃硝酸和濃硫酸濃度比為I. 5的混合液中在100°C下煮沸氧化處理40分鐘；接著將其取出并清洗干凈，放在重量百分含量為4wt%氯化亞錫溶液中進行敏化處理；然后將敏化后的碳納米管和碳放在0. 01wt%氯化鈀溶液中進行活化處理；最后將碳納米管取出清洗至pH為7，放在4wt%氯化銅溶液中，加入還原劑甲醛進行鍍銅反應(yīng)6分鐘，取出烘干即可得到鍍銅的碳納 米管材料；將碳取出清洗后，放在4wt%氯化銅溶液中，以烷基磺酸鈉為添加劑，攪拌3分鐘后取出烘干，即可得到鍍銅的碳材料。步驟二、稱量所需的銅、鋁、鍍銅的碳、添加劑，放到球磨罐中充分混合2 4小時。步驟三、原料混合均勻后取出，放到冷壓機的樣品槽中冷壓，同時加入鍍銅的碳納米管，冷壓壓力不低于40MPa，保壓時間不低于8秒，冷壓后再進行熱壓，熱壓壓力為30 180MPa，熱壓溫度為600 1000°C，保溫時間為7 25分鐘。優(yōu)選的是，所述的碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法中，所述碳納米管在進行鍍銅預(yù)處理時，在濃硝酸和濃硫酸濃度比為I. 5的混合液中在100°C下煮沸40分鐘。本發(fā)明所述的碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法中，碳納米管在濃硝酸和濃硫酸濃度比為1.5的混合液中氧化，改善了碳納米管的分散性和表面狀況，提高了碳納米管和金屬銅的潤濕性。由于碳納米管特殊的結(jié)構(gòu)特征，使其本身具有較高的模量和強度，因此加入碳納米管的碳鋁銅復(fù)合材料制成的滑板抗壓強度明顯提高。碳納米管的長度一般為微米級，而直徑則為納米級，因此具有較大的長徑比，這使得以碳納米管作為增強劑的滑板具有良好的柔韌性，不易斷裂。碳納米管的結(jié)構(gòu)和石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，且電學(xué)性能優(yōu)于石墨，從而導(dǎo)致碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的電阻率顯著下降。摩擦性能調(diào)節(jié)劑硫酸鋇和二氧化硅不同比例的配合使用，有助于所述滑板摩擦系數(shù)的減小，延長滑板的使用壽命。


圖I是本發(fā)明所述的碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法的流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。本發(fā)明提供一種碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法，包括以銅、鋁為基體材料，以碳納米管為增強材料，以碳為自潤滑耐磨材料，其中銅含量為50wt % 66wt %，鋁含量為5wt % 13wt %，碳納米管含量為2. 02wt % 6wt %，碳含量為13wt % 25wt %,硫酸鋇含量為3wt % 5wt %, 二氧化娃含量為4wt % 7wt %,鎳含量為I. 26wt% 4. 37wt%，錫含量為I. 83wt% 5. 07wt%，鈮含量為0. 21wt% 0. 73wt ,各組分含量均為重量百分比。所述的碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法中，所述碳納米管和碳在冷壓前需要進行鍍銅預(yù)處理，碳納米管銅鍍層的厚度為80 120nm，碳銅鍍層的厚度為I. 5 6 u m0所述的碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法中，所述碳納米管的直徑為10 40nm,碳納米管的長度為20 200 u m。所述的碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法中，所述的碳包括石墨、焦炭和炭黑，其中石墨含量為10 21%，焦炭含量為3 15%，炭黑含量為0 5%。所述的碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法中，包括·步驟一、對碳納米管和碳進行表面化學(xué)鍍銅處理，將碳納米管和碳放入濃硝酸和濃硫酸濃度比為I. 5的混合液中在100°C下煮沸氧化處理40分鐘；接著將其取出并清洗干凈，放在重量百分含量為4wt%氯化亞錫溶液中進行敏化處理；然后將敏化后的碳納米管和碳放在0. 01wt%氯化鈀溶液中進行活化處理；最后將碳納米管取出清洗至pH為7，放在4wt%氯化銅溶液中，加入還原劑甲醛進行鍍銅反應(yīng)6分鐘，取出烘干即可得到鍍銅的碳納米管材料；將碳取出清洗后，放在4wt%氯化銅溶液中，以烷基磺酸鈉為添加劑，攪拌3分鐘后取出烘干，即可得到鍍銅的碳材料。步驟二、稱量所需的銅、鋁、鍍銅的碳、添加劑，放到球磨罐中充分混合2 4小時。步驟三、原料混合均勻后取出，放到冷壓機的樣品槽中冷壓，同時加入鍍銅的碳納米管，冷壓壓力不低于40MPa，保壓時間不低于8秒，冷壓后再進行熱壓，熱壓壓力為30 180MPa，熱壓溫度為600 1000°C，保溫時間為7 25分鐘。所述的碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法中，所述碳納米管在進行鍍銅預(yù)處理時，在濃硝酸和濃硫酸濃度比為I. 5的混合液中在100°C下煮沸40分鐘。下面結(jié)合幾個具體的實施例來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。實施例I :銅含量57wt%，鋁含量8wt%，石墨含量16wt%，焦炭含量4wt%，硫酸鋇含量為3. 3wt %，二氧化硅含量為4. 8wt %，鎳含量為2. 36wt %，錫含量為I. 87wt %，鈮含量為0. 37wt %，在球磨罐中充分混合3小時，在80MPa壓力下冷壓30秒，在冷壓裝料的同時按要求加入2. 3wt%預(yù)處理過的鍍銅碳納米管，成型后在壓力為120MPa，溫度為760°C下熱壓16分鐘，制成的滑板密度為2. 41g/cm3,電阻率為0. 07 ii Q m，沖擊韌性4. 9J/cm2,摩擦系數(shù)0. 043，抗壓強度340MPa。 實施例2 :銅含量60. 9wt %，鋁含量5wt %，石墨含量10. 5wt %，焦炭含量3wt %，炭黑含量2wt%，硫酸鋇含量為3. 7wt%，二氧化硅含量為5. I %，鎳含量為3. 16wt%，錫含量為2. 3wt%，鈮含量為0. 24%，在球磨罐中充分混合2. 5小時，在IlOMPa壓力下冷壓45秒，在冷壓裝料的同時按要求加入4. lwt%預(yù)處理過的鍍銅碳納米管，成型后在壓力為160MPa，溫度為820°C下熱壓10分鐘，制成的滑板密度為2.89g/cm3，電阻率為0. 12u Q -m,沖擊韌性6. 5J/cm2，摩擦系數(shù)0. 027，抗壓強度424MPa。實施例3 :銅含量51wt%，鋁含量9wt%，石墨含量14wt %，焦炭含量5wt %，炭黑含量為Iwt %，硫酸鋇含量為3. 4wt %，二氧化硅含量為4. 3wt %，鎳含量為4. 03wt %，錫含量為3. 4wt%，鈮含量為0. 27wt%，在球磨罐中充分混合3. 5小時，在60MPa壓力下冷壓60秒，在冷壓裝料的同時按要求加入4. 6wt%預(yù)處理過的鍍銅碳納米管，成型后在壓力為lOOMPa，溫度為950°C下熱壓20分鐘，制成的滑板密度為1.94g/cm3，電阻率為0. 14 u Q -m,沖擊韌性8. 3J/cm2，摩擦系數(shù)0. 018，抗壓強度473MPa。盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各 種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細節(jié)和這里示出與描述的圖例。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法，其特征在于，包括 以銅、鋁為基體材料，以碳納米管為增強材料，以碳為自潤滑耐磨材料，其中銅含量為50wt% 66wt%，鋁含量為5wt% 13wt%，碳納米管含量為2. 02wt% 6wt%，碳含量為13wt*% 25wt*%,硫酸鋇含量為3wt*% 5wt*%, ニ氧化娃含量為4wt*% 7wt*%,鎳含量為I.26wt% 4. 37wt%，錫含量為 I. 83wt% 5. 07wt%，鈮含量為 0. 21wt% 0. 73wt%，各組分含量均為重量百分比。
2.如權(quán)利要求I所述的碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法，其特征在干，所述碳納米管和碳在冷壓前需要進行鍍銅預(yù)處理，碳納米管銅鍍層的厚度為80 120nm，碳銅鍍層的厚度為I. 5 6 ii m。
3.如權(quán)利要求I所述的碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法，其特征在干，所述碳納米管的直徑為10 40nm，碳納米管的長度為20 200 u m。
4.如權(quán)利要求I所述的碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法，其特征在干，所述的碳包括石墨、焦炭和炭黑，其中石墨含量為10 21%,焦炭含量為3 8%,炭黑含量為0 5%。
5.如權(quán)利要求I所述的碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法，其特征在干，包括 步驟一、對碳納米管和碳進行表面化學(xué)鍍銅處理，將碳納米管和碳放入濃硝酸和濃硫酸濃度比為I. 5的混合液中在100°C下煮沸氧化處理40分鐘；接著將其取出井清洗干凈，放在重量百分含量為4wt%氯化亞錫溶液中進行敏化處理；然后將敏化后的碳納米管和碳放在0. Olwt %氯化鈀溶液中進行活化處理；最后將碳納米管取出清洗至pH為7，放在4wt%氯化銅溶液中，加入還原劑甲醛進行鍍銅反應(yīng)6分鐘，取出烘干即可得到鍍銅的碳納米管材料；將碳取出清洗后，放在4wt%氯化銅溶液中，以烷基磺酸鈉為添加剤，攪拌3分鐘后取出烘干，即可得到鍍銅的碳材料。
步驟ニ、稱量所需的銅、鋁、鍍銅的碳、添加剤，放到球磨罐中充分混合2 4小吋。
步驟三、原料混合均勻后取出，放到冷壓機的樣品槽中冷壓，同時加入鍍銅的碳納米管，冷壓壓カ不低于40MPa，保壓時間不低于8秒，冷壓后再進行熱壓，熱壓壓カ為30 180MPa，熱壓溫度為600 1000°C，保溫時間為7 25分鐘。
6.如權(quán)利要求2所述的碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法，其特征在干，所述碳納米管在進行鍍銅預(yù)處理時，在濃硝酸和濃硫酸濃度比為I. 5的混合液中在100°C下煮沸40分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳納米管增強碳鋁銅復(fù)合材料滑板的制備方法，其特征在于，包括以銅、鋁為基體材料，以碳納米管為增強材料，以碳為自潤滑耐磨材料，其中銅含量為50wt％～66wt％，鋁含量為5wt％～13wt％，碳納米管含量為2.02wt％～6wt％，碳含量為13wt％～25wt％，硫酸鋇含量為3wt％～5wt％，二氧化硅含量為4wt％～7wt％，鎳含量為1.26wt％～4.37wt％，錫含量為1.83wt％～5.07wt％，鈮含量為0.21wt％～0.73wt％，各組分含量均為重量百分比。本發(fā)明所述的方法降低了所述滑板的電阻率，提高了抗壓強度，延長了使用壽命。
文檔編號C22C49/02GK102952963SQ20121044251
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月7日
發(fā)明者曹長偉, 楊連偉, 王瑞杰 申請人:中國路橋工程有限責(zé)任公司, 東北大學(xué)秦皇島分校