本發(fā)明涉及石墨烯材料應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及石墨烯增強(qiáng)玻璃纖維，特別涉及一種受電弓滑板用石墨烯增強(qiáng)玻璃纖維及制備方法。

背景技術(shù)：

隨著高速鐵路和軌道交通的快速發(fā)展，高效接觸網(wǎng)是鐵路系統(tǒng)的重要組成部分，良好的載流性能是提高列車運行速度的關(guān)鍵因素。受電弓滑板是接觸網(wǎng)系統(tǒng)的重要部件，其質(zhì)量對機(jī)車的取流狀況有重要影響。因此受電弓滑板材料的性能要求極高。通常需要同時滿足以下幾個方面的性能指標(biāo)：（1）低的電阻率和接觸電阻；（2）足夠的抗沖擊強(qiáng)度；（3）良好的減磨、自潤滑性能；（4）一定的耐磨性；（5）良好的耐熱、耐電弧性能；（6）一定的經(jīng)濟(jì)性；（7）便于成型和實現(xiàn)輕量化。目前受電弓滑板材料主要有金屬滑板、碳滑板。由于金滑板材料是金屬體，和導(dǎo)線材質(zhì)相近，而且導(dǎo)線是靜態(tài)，滑板是動態(tài)，所以金滑板對導(dǎo)線磨耗較大，而且在使用中易產(chǎn)生電??；炭滑板本身具有很好的自潤滑性能和減摩性能，對導(dǎo)線的磨損較小，但是炭滑板機(jī)械強(qiáng)度低，耐沖擊性差。因此，要同時達(dá)到高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、耐沖擊性、高耐磨性、良好的滑動性、輕量化，對材料的綜合性能要求極高。

玻璃纖維是由玻璃熔化而得的一種高性能無機(jī)纖維。其顯著的增強(qiáng)優(yōu)勢使得玻璃纖維在復(fù)合材料中具有極廣的應(yīng)用。如玻璃纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和抗彈性能用于制作防彈板；玻璃纖維復(fù)合材料可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的木材用于建筑行業(yè)中；玻璃纖維復(fù)合材料維被廣泛的用于汽車工業(yè)、飛機(jī)、輪船、風(fēng)能等領(lǐng)域達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的目的；玻璃纖維在體育器械、家用電器、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域用量不斷增加。

隨著新生產(chǎn)工藝的不斷出現(xiàn)推動，玻璃纖維復(fù)合材料的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入一個新的發(fā)展時期。特別是玻璃纖維復(fù)合材料在軌道交通上的應(yīng)用，逐漸由玻璃纖維復(fù)合材料零部件應(yīng)用發(fā)展應(yīng)用到機(jī)頭、箱體等。尤其是隨著國家振興汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃出臺，將加速提升玻璃纖維復(fù)合材料制品在汽車上的應(yīng)用總量，國家節(jié)能減排政策和新能源電力汽車的發(fā)展，以及汽車材料輕量化的發(fā)展趨勢，為玻璃纖維復(fù)合材料制品在汽車上的應(yīng)用提供了更加廣闊的市場發(fā)展空間。鑒于此，將玻璃纖維用于受電弓滑板材料具有重要意義。

由于玻璃纖維是熱熔后拉伸而成，在拉伸過程中通常會造成拉伸微裂紋，因此，玻璃纖維的微裂紋會使其強(qiáng)度縮減；其次，玻璃纖維彈性模量小，在用于復(fù)合材料剛性不足，容易變形；另外，玻璃纖維抗剪切能力較差，表現(xiàn)為發(fā)脆、纖維易斷，用于復(fù)合材料表現(xiàn)為可承受的剪切力不足；更為重要的是玻璃纖維不導(dǎo)電。鑒于上述，將玻璃纖維用于受電弓滑板材料，需要解決和提升玻璃纖維的強(qiáng)度、模量、韌性、導(dǎo)電性。

石墨烯作為近年來應(yīng)用的一種新型的高性能材料，具有增強(qiáng)、增韌、耐磨、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、潤滑、耐腐蝕等獨特的綜合物理化學(xué)性能，顯現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。特別是，石墨烯是目前世界上力學(xué)強(qiáng)度最高的材料，其彈性模量高達(dá)1tpa，拉伸強(qiáng)度高達(dá)180gpa，斷裂強(qiáng)度達(dá)到125gpa。因此，將石墨烯增強(qiáng)玻璃纖維用于受電弓滑板具有極高的實用意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了實現(xiàn)達(dá)到高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、耐沖擊性、高耐磨性、良好的滑動性、輕量化的受電弓滑板材料要求，本發(fā)明提出一種受電弓滑板用石墨烯增強(qiáng)玻璃纖維，其特征是石墨烯以徑向方向嵌入玻璃纖維表面微裂紋，并焊接纏繞形成石墨烯增強(qiáng)玻璃纖維。顯著的優(yōu)勢是該石墨烯增強(qiáng)玻璃纖維具有高強(qiáng)度、高韌性、高模量、高耐磨性、高導(dǎo)電性、減摩性、耐酸堿性、質(zhì)輕等特性，是一種理想的受電弓滑板材料?

本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種受電弓滑板用石墨烯增強(qiáng)玻璃纖維的制備方法。

為解決上述問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種受電弓滑板用石墨烯增強(qiáng)玻璃纖維，其特征在于：石墨烯以徑向方向嵌入玻璃纖維表面微裂紋，并焊接纏繞形成的石墨烯增強(qiáng)玻璃纖維。石墨烯通過以徑向鑲嵌于玻璃纖維的微裂紋中，不但提高了玻璃纖維的強(qiáng)度，而且賦予玻璃纖維高韌性和模量，有效防止其沖擊和剪切的脆斷；特別是石墨烯與玻璃纖維牢固的焊接為一體，使得玻璃纖維表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性、高導(dǎo)電性、減摩性、耐酸堿性；有一顯著的優(yōu)勢是石墨烯增強(qiáng)玻璃纖維可以達(dá)到減量化，制備出的受電弓滑板質(zhì)輕、成本低。

優(yōu)選的，所述石墨烯為徑向尺寸小于1μm，層厚小于10nm的石墨烯粉。

優(yōu)選的，所述玻璃纖維為徑向尺寸15-25μm，長度大于1mm。

一種受電弓滑板用石墨烯增強(qiáng)玻璃纖維的制備方法，其特征在于，具體制備方法如下：

（1）玻璃纖維解束：將玻璃纖維用潔凈水反復(fù)沖洗，將沖洗干凈的玻璃纖維分散在潔凈水中，通過超聲分散使玻璃纖維分散為單束，進(jìn)一步濾干、烘干、熱膨化分散得到解束玻璃纖維；

（2）石墨烯金屬化：將石墨烯與金屬粉以10-20:1的質(zhì)量比混合，在研磨機(jī)中強(qiáng)制研磨使石墨烯界面與金屬粉充分接觸形成石墨烯-金屬粉分散體；

（3）鑲嵌組裝：將步驟（1）得到的解束玻璃纖維與步驟（2）金屬化得到的石墨烯-金屬粉分散體以質(zhì)量比100：10-25混合均勻，送入氣流分散機(jī)，在氣流作用下解束玻璃纖維與石墨烯-金屬粉分散體完全懸浮接觸，同時對氣流分散機(jī)施加電場，使得石墨烯以較薄的徑向方向嵌入玻璃纖維表面裂紋；

（4）極速焊接：通過高能量激光束或電子束掃描，將金屬粉極速熔化使得石墨烯與解束玻璃纖維焊接，石墨烯均勻鑲嵌并牢固焊接在解束玻璃纖維表面，得到石墨烯增強(qiáng)玻璃纖維。

優(yōu)選的，所述研磨機(jī)為球磨機(jī)，較佳的使金屬粉與石墨烯界面接觸并附著。

優(yōu)選的，所述的金屬粉為粒徑小于10μm銅粉、鋁粉、錫粉中的一種。

優(yōu)選的，所述高能量激光選用激光功率15w，掃描速度3000mm/s。較佳的使金屬粉在微觀極速熔化焊接而不會將玻璃纖維粘接團(tuán)聚。微觀極速熔化焊接均勻牢固的將石墨烯固定于玻璃纖維的表面，使石墨烯的增強(qiáng)作用的到了充分的發(fā)揮。

在玻璃纖維領(lǐng)域，公知的，玻璃纖維在拉絲制備過程中存在微裂紋。石墨烯的增強(qiáng)功能是公知的。然而，將石墨烯與玻璃纖維的簡單混合或者直接涂敷難以從根本上提升玻璃纖維強(qiáng)度、韌性。本發(fā)明通過金屬粉輔助石墨烯，通過電場引導(dǎo)將石墨烯以較薄的徑向方向鑲嵌玻璃纖維的微裂紋并通過高能激光快速焊接在玻璃纖維表面，不但使的玻璃纖維強(qiáng)度、韌性、模量大幅提高，而且具有高耐磨性、高導(dǎo)電性、減摩性、耐酸堿性、質(zhì)輕等特性，從而成為一種理想的受電弓滑板材料?其制備的滑板自潤滑性和減磨性能良好；可以有效地抗沖擊、力學(xué)強(qiáng)度高、電阻率小，運行中有效克服了滑板斷裂、掉塊與導(dǎo)線粘連的現(xiàn)象。

本發(fā)明一種受電弓滑板用石墨烯增強(qiáng)玻璃纖維及制備方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其突出的特點和優(yōu)異的效果在于：

1、通過將石墨烯以徑向方向嵌入玻璃纖維表面微裂紋，并焊接纏繞形成石墨烯增強(qiáng)玻璃纖維。賦予了玻璃纖維高強(qiáng)度、高韌性、高模量、高耐磨性、高導(dǎo)電性、減摩性、耐酸堿性、質(zhì)輕等特性，是一種理想的受電弓滑板材料?

2、通過高能量激光束或電子束掃描，使得金屬粉極速熔化將石墨烯與解束玻璃纖維牢固焊接，從而使得石墨烯不易脫離玻璃纖維，長久發(fā)揮其增強(qiáng)功效。

3、本發(fā)明制備方法工藝簡短，設(shè)備成熟，制備過程物污染排放，適合于規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用。

具體實施方式

以下通過具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明的范圍僅限于以下的實例。在不脫離本發(fā)明上述方法思想的情況下,根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段做出的各種替換或變更,均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

實施例1

（1）玻璃纖維解束：將徑向尺寸15-25μm，長度大于1mm的玻璃纖維用潔凈水反復(fù)沖洗4次，除脫其中的可溶鹽堿，將沖洗干凈的玻璃纖維分散在潔凈水中，通過超聲分散使玻璃纖維分散為單束，進(jìn)一步濾干、烘干、熱膨化分散得到解束玻璃纖維；

（2）石墨烯金屬化：將徑向尺寸小于1μm，層厚小于10nm的石墨烯粉與粒徑小于10μm銅粉10:1的質(zhì)量比混合，在球磨機(jī)中強(qiáng)制研磨使石墨烯界面與銅粉充分接觸形成石墨烯-銅粉分散體；

（3）鑲嵌組裝：將步驟（1）得到的解束玻璃纖維與步驟（2）金屬化得到的石墨烯-銅粉分散體以質(zhì)量比100：10混合均勻，送入氣流分散機(jī)，在高壓氣流作用下解束玻璃纖維與石墨烯-銅粉分散體完全懸浮接觸，同時對氣流分散機(jī)施加高頻電場，使得石墨烯以較薄的徑向方向嵌入玻璃纖維表面裂紋；

（4）極速焊接：高能量激光選用激光功率15w，掃描速度3000mm/s，使銅粉在微觀極速熔化焊接而不會將玻璃纖維粘接團(tuán)聚，將石墨烯與解束玻璃纖維焊接，石墨烯均勻鑲嵌并牢固焊接在解束玻璃纖維表面，得到石墨烯增強(qiáng)玻璃纖維。

將實施例1得到的墨烯增強(qiáng)玻璃纖維配比60％與20%銅粉、2％鎳粉、18％石墨混合均勻，壓制成型，燒結(jié)，制得受電弓滑板。通過測試，受電弓滑板的強(qiáng)度和抗沖擊性能優(yōu)異，且具有良好的導(dǎo)電性、滑動性和耐磨性。具體測試性能如表1所示。

實施例2

（1）玻璃纖維解束：將徑向尺寸15-25μm，長度大于1mm的玻璃纖維用潔凈水反復(fù)沖洗6次，除脫其中的可溶鹽堿，將沖洗干凈的玻璃纖維分散在潔凈水中，通過超聲分散使玻璃纖維分散為單束，進(jìn)一步濾干、烘干、熱膨化分散得到解束玻璃纖維；

（2）石墨烯金屬化：將徑向尺寸小于1μm，層厚小于10nm的石墨烯粉與粒徑小于10μm鋁粉15:1的質(zhì)量比混合，在球磨機(jī)中強(qiáng)制研磨使石墨烯界面與鋁粉充分接觸形成石墨烯-鋁粉分散體；

（3）鑲嵌組裝：將步驟（1）得到的解束玻璃纖維與步驟（2）金屬化得到的石墨烯-鋁粉分散體以質(zhì)量比100：20混合均勻，送入氣流分散機(jī)，在高壓氣流作用下解束玻璃纖維與石墨烯-鋁粉分散體完全懸浮接觸，同時對氣流分散機(jī)施加高頻電場，使得石墨烯以較薄的徑向方向嵌入玻璃纖維表面裂紋；

（4）極速焊接：高能量激光選用激光功率15w，掃描速度3500mm/s，使鋁粉在微觀極速熔化焊接而不會將玻璃纖維粘接團(tuán)聚，將石墨烯與解束玻璃纖維焊接，石墨烯均勻鑲嵌并牢固焊接在解束玻璃纖維表面，得到石墨烯增強(qiáng)玻璃纖維。

將實施例2得到的墨烯增強(qiáng)玻璃纖維配比60％與20%銅粉、2％鎳粉、18％石墨混合均勻，壓制成型，燒結(jié)，制得受電弓滑板。通過測試，受電弓滑板的強(qiáng)度和抗沖擊性能優(yōu)異，且具有良好的導(dǎo)電性、滑動性和耐磨性。具體測試性能如表1所示。

實施例3

（1）玻璃纖維解束：將徑向尺寸15-25μm，長度大于1mm的玻璃纖維用潔凈水反復(fù)沖洗4次，除脫其中的可溶鹽堿，將沖洗干凈的玻璃纖維分散在潔凈水中，通過超聲分散使玻璃纖維分散為單束，進(jìn)一步濾干、烘干、熱膨化分散得到解束玻璃纖維；

（2）石墨烯金屬化：將徑向尺寸小于1μm，層厚小于10nm的石墨烯粉與粒徑小于10μm錫粉20:1的質(zhì)量比混合，在球磨機(jī)中強(qiáng)制研磨使石墨烯界面與錫粉充分接觸形成石墨烯-錫粉分散體；

（3）鑲嵌組裝：將步驟（1）得到的解束玻璃纖維與步驟（2）金屬化得到的石墨烯-錫粉分散體以質(zhì)量比100：25混合均勻，送入氣流分散機(jī)，在高壓氣流作用下解束玻璃纖維與石墨烯-錫粉分散體完全懸浮接觸，同時對氣流分散機(jī)施加高頻電場，使得石墨烯以較薄的徑向方向嵌入玻璃纖維表面裂紋；

（4）極速焊接：利用電子束掃描，使錫粉在微觀極速熔化焊接而不會將玻璃纖維粘接團(tuán)聚，將石墨烯與解束玻璃纖維焊接，石墨烯均勻鑲嵌并牢固焊接在解束玻璃纖維表面，得到石墨烯增強(qiáng)玻璃纖維。

將實施例3得到的墨烯增強(qiáng)玻璃纖維配比60％與20%銅粉、2％鎳粉、18％石墨混合均勻，壓制成型，燒結(jié)，制得受電弓滑板。通過測試，受電弓滑板的強(qiáng)度和抗沖擊性能優(yōu)異，且具有良好的導(dǎo)電性、滑動性和耐磨性。具體測試性能如表1所示。

實施例4

（1）玻璃纖維解束：將徑向尺寸15-25μm，長度大于1mm的玻璃纖維用潔凈水反復(fù)沖洗4次，除脫其中的可溶鹽堿，將沖洗干凈的玻璃纖維分散在潔凈水中，通過超聲分散使玻璃纖維分散為單束，進(jìn)一步濾干、烘干、熱膨化分散得到解束玻璃纖維；

（2）石墨烯金屬化：將徑向尺寸小于1μm，層厚小于10nm的石墨烯粉與粒徑小于10μm銅粉15:1的質(zhì)量比混合，在球磨機(jī)中強(qiáng)制研磨使石墨烯界面與銅粉充分接觸形成石墨烯-銅粉分散體；

（3）鑲嵌組裝：將步驟（1）得到的解束玻璃纖維與步驟（2）金屬化得到的石墨烯-銅粉分散體以質(zhì)量比100：25混合均勻，送入氣流分散機(jī)，在高壓氣流作用下解束玻璃纖維與石墨烯-銅粉分散體完全懸浮接觸，同時對氣流分散機(jī)施加高頻電場，使得石墨烯以較薄的徑向方向嵌入玻璃纖維表面裂紋；

（4）極速焊接：高能量激光選用激光功率15w，掃描速度3100mm/s，使銅粉在微觀極速熔化焊接而不會將玻璃纖維粘接團(tuán)聚，將石墨烯與解束玻璃纖維焊接，石墨烯均勻鑲嵌并牢固焊接在解束玻璃纖維表面，得到石墨烯增強(qiáng)玻璃纖維。

將實施例4得到的墨烯增強(qiáng)玻璃纖維配比60％與20%銅粉、2％鎳粉、18％石墨混合均勻，壓制成型，燒結(jié)，制得受電弓滑板。通過測試，受電弓滑板的強(qiáng)度和抗沖擊性能優(yōu)異，且具有良好的導(dǎo)電性、滑動性和耐磨性。具體測試性能如表1所示。

表1：