本發(fā)明屬于電力機車技術領域，尤其涉及一種利用氧化石墨烯制備受電弓碳滑條材料的制備方法。
背景技術：
隨著科學技術的發(fā)展，軌道交通在國民經濟中起著愈來愈重要的作用。在我國國民經濟水平飛速發(fā)的今天，軌道交通業(yè)尤其是高鐵、動車和客貨電力機車等均呈現出蓬勃發(fā)展的局面。
而作為其動力來源最重要的集電原件受電弓來說，更是重中之重。由于高速列車是通過受電弓上的碳滑板從路網導線上獲取電能，驅動牽引電機運行來帶動列車行駛，受電弓碳滑板與路網導線可靠的接觸是保證高速受流的重要條件，受電弓弓頭上的碳滑板與路網導線接觸，相對滑動，從路網導線上取下電流，輸送給電力機車，這一過程稱為受流，在受流過程中，路網導線和受電弓碳滑板在機械與電氣上密切相關，只要其中之一出現問題，都會破壞正常的受電特性。受電弓碳滑條板和路網導線一旦發(fā)生事故，將會帶來十分嚴重的后果，直接造成重大經濟損失，為此，受電弓碳滑板的制備無疑成為最關鍵，以保證鐵路運輸安全這一永恒的主題。由于在運行中與接觸網導線不斷產生摩擦和沖擊，所以這一部件是一種經常更換的消耗性部件。
碳滑板是近幾年發(fā)展起來的，歐美高速列車上普通使用碳滑板的機械強度高，在德國ICE運行中每個滑板的走行公里數達到12萬千米。目前，碳滑板仍是國內外鐵路部門廣泛采用的首選材料，碳滑板是以碳-石墨為基礎材料，具有良好的導電。導熱及耐磨自潤滑性，并具有很好的抑制火花作用和高溫不變形、對接觸網導線磨耗小的特點，作為碳滑板的關鍵組成部分碳滑條的選用必須對其綜合性能有嚴格的要求指標，需要具有合適的電阻率和接觸電阻、足夠的機械強度、良好的減磨性及自潤滑性、良好的耐熱、耐電弧和一定的耐磨性。
申請?zhí)枮?01310582451.6的中國專利，公開了一種受電弓碳滑板及其制造方法， 受電弓碳滑板是由石油焦粉、瀝青焦粉、噴霧炭黑、硫磺、氮化硼、碳纖維、天然石墨、人造石墨、氯化鈣粉末、改制瀝青為原料攪拌混合制成，然后進行混捏，利用所述混捏物料制成碳滑板初坯，在進行焙燒，制成燒結碳滑板初坯，將燒結碳滑板初坯依次進行浸漬、焙燒，干燥處理，本專利中碳滑板的生產周期長，需要進行兩次焙燒才能達到預期的效果。
另外原料的多元化高端化，如碳纖維、天然石墨等材料必然使其制造成本增加。由于高端石墨制品性能夠滿足受電弓碳滑條生產工藝要求，但其價格非常昂貴，且國內的高性能石墨產品尚處于發(fā)展階段，而普通碳素材料不能完全滿足碳滑條理化指標，
鑒于以上原因，特提出本發(fā)明。
技術實現要素：
本發(fā)明的目的是提供了一種利用氧化石墨烯制備受電弓碳滑條材料的制備方法，氧化石墨烯是是石墨粉末經化學氧化及剝離后的產物，氧化石墨烯是單一的原子層，可以隨時在橫向尺寸上擴展到數十微米，因此，其結構跨越了一般化學和材料科學的典型尺度。氧化石墨烯可視為一種非傳統(tǒng)型態(tài)的軟性材料，具有聚合物、膠體、薄膜，以及兩性分子的特性。該制備方法是利用氧化石墨烯生產受電弓碳滑條材料是一種新型碳素產品，具有非常好的理化性能指標，由于氧化石墨烯的加入，顯著提高了受電弓碳滑板材料的導電性、導熱性及摩擦、磨損性，本發(fā)明制備方法生產周期短，經過一次焙燒即得滿足要求的炭條材料。
為實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
一種利用氧化石墨烯制備受電弓碳滑條材料的制備方法，包括如下步驟：
(1)將氧化石墨烯、半補強炭黑、石墨粉和經過破碎、磨粉、篩分的瀝青焦進行混合，作為制備所述的碳滑條的骨料；
(2)向所述的骨料中加入粘結劑，然后經過混捏，得到糊料；
(3)將糊料進行預壓成型；
(4)將預壓成型的糊料進行一次焙燒，得到適用于所述的受電弓碳滑條材料。
通過以上方法，氧化石墨烯制備的受電弓碳滑條具有良好的導電性、導熱性高及耐摩擦和磨損性強、原料成本低等優(yōu)點。
優(yōu)選的，步驟(1)中所述的骨料的各組分按重量百分比計，氧化石墨烯3-5％，半補強炭黑10-15％，石墨粉6-8％，瀝青焦70-80％，所述的瀝青焦的粒徑 0.15mm-2mm，所述的骨料的粒徑為0.15mm-2mm。
通過以上的配比，所述的骨料的粒徑在此范圍內，是因為顆粒粒徑的分布直接影響顆粒的堆積方式，顆粒堆積越緊密，碳滑條材料的體積密度越大、機械強度越高。
優(yōu)選的，所述的半補強炭黑的粒徑為0.07mm-0.10mm；所述的石墨粉粒徑為0.5-1mm；
所述的瀝青焦的粒徑范圍和含量為：
0.5mm＜粒徑≤2mm 55-60％
粒徑≤0.15mm 40-45％。
不同粒徑的骨料顆粒堆積較為緊密，碳滑條材料的體積密度、氣孔率、抗折抗壓強度和熱膨脹系數可達到一個非常好的平衡值，所制備出的碳滑條材料體積密度大、氣孔率小、抗折抗壓能力強、熱膨脹系數小。
其中，在碳滑條材料的制備工藝中，配方對材料的性能參數影響較大，特別是對體積密度、電阻率、氣孔率、機械強度的影響。一般來說，采用較細顆粒配方擠壓成型提到產品的體積密度大、氣孔率較小、抗折抗壓強度高，本發(fā)明在配料時，采用超細結構的氧化石墨烯和半補強炭黑，再將瀝青焦進行破碎、磨粉、篩分，使其達到小顆粒配方，最大粒徑為2mm，最小粒徑為0.15mm。在此粒徑范圍內，顆粒粒徑的分布直接影響顆粒的堆積方式，顆粒堆積越緊密，碳滑條材料的體積密度越大、機械強度越高。
優(yōu)選的，步驟(2)中所述的骨料與所述的粘結劑重量比為74-71.5：26-28.5，優(yōu)選為74:26。
本發(fā)明采用的擠壓成型方式，因此對粘結劑中溫改制煤瀝青的用量有嚴格配比要求，粘結劑的用量和骨料的表面積有直接關系，骨料的粒徑小，表面積越大，粘結劑用量則越多，但粘結劑用量過多，成型時不易擠實，因而產品的體積密度較小，且成型后產品容易變形。本發(fā)明骨料與粘結劑配比為74:26，骨料和粘結劑在混捏后，得到的糊料基本上不呈團塊，或有少許團塊，成型后得到體積密度較高的成型品。
優(yōu)選的，步驟(1)中所述氧化石墨烯的拉伸模量≤1.01TPa，極限強度≤116Gpa,所述的半補強炭黑的電阻率≤0.6μΩ·m，所述的瀝青焦的真密度≥2.10g/cm3，灰份＜0.5％，揮發(fā)分＜0.8％。
優(yōu)選的，步驟(2)中所述的粘結劑為中溫煤瀝青，所述的中溫煤瀝青的軟化點 85-90℃，結焦值≥58％。
本發(fā)明采用以上條件有利于得到體積密度較高的焙燒品，有利于提高成品率，最終使其理化指標滿足受電弓碳滑條的需要。
優(yōu)選的，步驟(2)中所述的混捏為干混和濕混，所述的干混是將所述的骨料按配比放進混捏鍋內，攪拌速率為45r/min，攪拌30-40min，干混溫度為160-180℃；所述的濕混是將中溫煤瀝青先加熱至220℃，然后通過瀝青管道注入到混捏鍋中與骨料充分攪拌均勻，由此得到糊料。
優(yōu)選的，步驟(3)中所述的預壓成型是將所述的糊料壓制成預成型的圓柱體，預壓溫度180℃。
優(yōu)選的，將所述的預成型的圓柱體進行擠壓成型得到生坯制品，所述的生坯制品體積密度≥1.75g/cm3。
更優(yōu)選的，所述的一次焙燒是將所述的生坯制品在隔絕空氣的條件下，在氮氣電爐中進行熱處理，所述的熱處理過程分為如下步驟：
(1)將所述的生坯制品以升溫速率1.1-2.1℃/h從150℃升溫到550℃溫度；
(2)然后以升溫速率0.7-1.1℃/h從550℃升溫到900℃；
(3)最后以升溫速率1.1-1.5℃/h從900℃升溫到1400℃。
焙燒的目的是將粘結劑瀝青炭化，在骨料顆粒間形成焦炭網格，將不同粒度的骨料牢固地粘結成一個整體。小顆粒配方在制備炭材料時，在后續(xù)熱處理過程中出現裂紋的機率會大，成品率可能偏低，本發(fā)明通過優(yōu)化及改進焙燒時的升溫曲線、加熱持續(xù)時間等因素，提高了粘結劑的結焦率，克服了小顆粒帶來的出現裂紋、成品率低的問題，以保證產品綜合指標的成品率。
本發(fā)明焙燒過程是利用氮氣電爐在隔絕空氣和氧氣的條件下進行的，最高溫度達到1400℃，在升溫區(qū)150-550℃時每小時升溫1.1-2.1℃，焙燒品中的輕質揮發(fā)份以較慢的速度揮發(fā)排出，焙燒品內部的所受到的壓強較小、較為平衡，避免了升溫過程中裂紋產生，并且輕質組分有充分的時間排出制品；在550-900℃時焙燒品中縮聚反應增強，焦炭開始形成，每小時升溫0.7-1.1℃，有利于提高粘結劑的結焦率，半焦化轉變?yōu)榻够?；?00-1400℃時，縮聚反應繼續(xù)發(fā)生，制品進一步焦化，每小時升溫1.1-1.5℃；以較慢的升溫速率進行升溫，有利于提高焙燒品的體積密度和強度，并避免縮聚反應的過程中焙燒品在收縮時產生裂紋；并以較快升溫速率進行升溫，焙燒品的組織結構進一步致密化,得到最終的適用于受電弓碳滑條用材料。
熱處理過程采用溫度報警儀控制，保證溫度報警儀的差范圍在5℃以內，確保產品體積密度大于1.75g/cm3，產品內外結構要求沒有裂紋，以得到滿足受電弓碳滑條要求的材料。
與現有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
1、本發(fā)明利于氧化石墨烯制備的受電弓碳滑條，只需要一次焙燒即能得到滿足要求的炭條材料，生產周期短。
2、本發(fā)明提供的氧化石墨烯制備的受電弓碳滑條具有良好的導電性、導熱性高及耐摩擦和磨損性強、原料成本低等優(yōu)點，本發(fā)明中的氧化石墨烯生產受電弓碳滑條材料，其體積密度≥1.75g/cm3，電阻率為≤40μΩ·m，抗壓強度為≥90Mpa，抗折強度為≥35Mpa，肖氏硬度為≥60HS，耐磨性能≤15mm/萬km，對導線的磨損≤0.015mm2/萬弓架次。
具體實施方式
以下實施例中的實施方案可以進一步組合或者替換，且實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行描述，并非對本發(fā)明的構思和范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設計思想的前提下，本領域中專業(yè)技術人員對本發(fā)明的技術方案做出的各種變化和改進，均屬于本發(fā)明的保護范圍
實施例1
(1)按照重量百分比準備制備受電弓碳滑條的骨料為：氧化石墨烯3％、半補強炭黑10％、石墨粉6％，瀝青焦71％。
骨料與中溫煤瀝青的重量比為74:26，中溫煤瀝青軟化點為85℃，結焦值為58％，其中氧化石墨烯的拉伸模量為1.01TPa，極限強度116Gpa，半補強炭黑粒徑為0.07mm，電阻率0.6μΩ·m，瀝青焦的真密度2.10g/cm3，灰分0.45％，揮發(fā)分0.75％，石墨粉粒徑為0.5mm，其中，將瀝青焦進行破碎、磨粉、篩分，瀝青焦粒徑為0.5mm＜粒徑≤2mm占總瀝青焦的重量百分比55％，粒徑≤0.15mm占總瀝青焦的重量百分比45％，制備的骨料粒徑為0.15mm-2mm。
(2)將上面準備好的骨料放進混捏鍋內，攪拌速率為45r/min，攪拌30min，溫度為160℃，然后將上面的中溫煤瀝青加熱到220℃，然后通過瀝青管道注入到混捏鍋中與骨料充分攪拌，由此得到糊料。
(3)將得到的糊料在180℃下壓制成圓柱體，進行下一步的塑性，將預成型的圓柱體進行擠壓，得到生坯制品。
(4)將上面的生坯制品放入氮氣電爐中，在隔絕空氣的條件下進行熱處理，首先是以升溫速率1.1℃/h從150℃升溫到550℃溫度；然后以升溫速率0.7℃/h從550℃升溫到900℃；最后以升溫速率1.1℃/h從900℃升溫到1400℃，得到滿足條件的受電弓碳滑條要求的材料。
上面的升溫過程中采用溫度報警儀進行控制，保證溫度報警儀的誤差范圍在5℃以內，產品內外結構沒有裂紋。
對上面得到的碳滑條進行性能測試，測試結果見表1。
實施例2
(1)按照重量百分比準備制備受電弓碳滑條的骨料為：氧化石墨烯3％、半補強炭黑10％、石墨粉7％，瀝青焦80％。
骨料與中溫煤瀝青的重量比為73:27，中溫煤瀝青軟化點為87℃，結焦值為58％，其中氧化石墨烯的拉伸模量為1.01TPa，極限強度116Gpa，半補強炭黑粒徑為0.08mm，電阻率0.4μΩ·m，瀝青焦的真密度2.50g/cm3，灰分0.45％，揮發(fā)分0.75％，石墨粉粒徑為0.5mm，其中，將瀝青焦進行破碎、磨粉、篩分，瀝青焦粒徑為0.5mm＜粒徑≤2mm占總瀝青焦的重量百分比57％，粒徑≤0.15mm占總瀝青焦的重量百分比43％，制備的骨料粒徑為0.15mm-2mm。
(2)將上面準備好的骨料放進混捏鍋內，攪拌速率為45r/min，攪拌35min，溫度為170℃，然后將上面的中溫煤瀝青加熱到220℃，然后通過瀝青管道注入到混捏鍋中與骨料充分攪拌，由此得到糊料。
(3)將得到的糊料在180℃下壓制成圓柱體，進行下一步的塑性，將預成型的圓柱體進行擠壓，得到生坯制品。
(4)將上面的生坯制品放入氮氣電爐中，在隔絕空氣的條件下進行熱處理，首先是以升溫速率1.5℃/h從150℃升溫到550℃溫度；然后以升溫速率0.9℃/h從550℃升溫到900℃；最后以升溫速率1.3℃/h從900℃升溫到1400℃，得到滿足條件的受電弓碳滑條要求的材料。
上面的升溫過程中采用溫度報警儀進行控制，保證溫度報警儀的誤差范圍在5℃以內，產品內外結構沒有裂紋。
對上面得到的碳滑條進行性能測試，測試結果見表1。
實施例3
(1)按照重量百分比準備制備受電弓碳滑條的骨料為：氧化石墨烯4％、半補 強炭黑12％、石墨粉7％，瀝青焦77％。
骨料與中溫煤瀝青的重量比為72:28，中溫煤瀝青軟化點為88℃，結焦值為60％，其中氧化石墨烯的拉伸模量為1.01TPa，極限強度116Gpa，半補強炭黑粒徑為0.09mm，電阻率0.4μΩ·m，瀝青焦的真密度2.50g/cm3，灰分0.45％，揮發(fā)分0.75％，石墨粉粒徑為0.9mm，其中，將瀝青焦進行破碎、磨粉、篩分，瀝青焦粒徑為0.5mm＜粒徑≤2mm占總瀝青焦的重量百分比58％，粒徑≤0.15mm占總瀝青焦的重量百分比42％，制備的骨料粒徑為0.15mm-2mm。
(2)將上面準備好的骨料放進混捏鍋內，攪拌速率為45r/min，攪拌38min，溫度為175℃，然后將上面的中溫煤瀝青加熱到220℃，然后通過瀝青管道注入到混捏鍋中與骨料充分攪拌，由此得到糊料。
(3)將得到的糊料在180℃下壓制成圓柱體，進行下一步的塑性，將預成型的圓柱體進行擠壓，得到生坯制品。
(4)將上面的生坯制品放入氮氣電爐中，在隔絕空氣的條件下進行熱處理，首先是以升溫速率1.3℃/h從150℃升溫到550℃溫度；然后以升溫速率1.0℃/h從550℃升溫到900℃；最后以升溫速率1.2℃/h從900℃升溫到1400℃，得到滿足條件的受電弓碳滑條要求的材料。
上面的升溫過程中采用溫度報警儀進行控制，保證溫度報警儀的誤差范圍在5℃以內，產品內外結構沒有裂紋。
對上面得到的碳滑條進行性能測試，測試結果見表1。
實施例4
(1)按照重量百分比準備制備受電弓碳滑條的骨料為：氧化石墨烯5％、半補強炭黑15％、石墨粉8％，瀝青焦72％。
骨料與中溫煤瀝青的重量比為71.5:28.5，中溫煤瀝青軟化點為90℃，結焦值為65％，其中氧化石墨烯的拉伸模量為1.01TPa，極限強度116Gpa，半補強炭黑粒徑為0.09mm，電阻率0.4μΩ·m，瀝青焦的真密度2.50g/cm3，灰分0.45％，揮發(fā)分0.75％，石墨粉粒徑為0.9mm，其中，將瀝青焦進行破碎、磨粉、篩分，瀝青焦粒徑為0.5mm＜粒徑≤2mm占總瀝青焦的重量百分比58％，粒徑≤0.15mm占總瀝青焦的重量百分比42％，制備的骨料粒徑為0.15mm-2mm。
(2)將上面準備好的骨料放進混捏鍋內，攪拌速率為45r/min，攪拌38min，溫度為175℃，然后將上面的中溫煤瀝青加熱到220℃，然后通過瀝青管道注入到混捏 鍋中與骨料充分攪拌，由此得到糊料。
(3)將得到的糊料在180℃下壓制成圓柱體，進行下一步的塑性，將預成型的圓柱體進行擠壓，得到生坯制品。
(4)將上面的生坯制品放入氮氣電爐中，在隔絕空氣的條件下進行熱處理，首先是以升溫速率1.3℃/h從150℃升溫到550℃溫度；然后以升溫速率1.0℃/h從550℃升溫到900℃；最后以升溫速率1.2℃/h從900℃升溫到1400℃，得到滿足條件的受電弓碳滑條要求的材料。
上面的升溫過程中采用溫度報警儀進行控制，保證溫度報警儀的誤差范圍在5℃以內，產品內外結構沒有裂紋。
對上面得到的碳滑條進行性能測試，測試結果見表1。
實施例5
(1)按照重量百分比準備制備受電弓碳滑條的骨料為：氧化石墨烯3％、半補強炭黑10％、石墨粉6％，瀝青焦71％。
骨料與中溫煤瀝青的重量比為74:26，中溫煤瀝青軟化點為85℃，結焦值為58％，其中氧化石墨烯的拉伸模量為1.01TPa，極限強度116Gpa，半補強炭黑粒徑為0.07mm，電阻率0.6μΩ·m，瀝青焦的真密度2.10g/cm3，灰分0.45％，揮發(fā)分0.75％，石墨粉粒徑為0.5mm，其中，將瀝青焦進行破碎、磨粉、篩分，瀝青焦粒徑為0.5mm＜粒徑≤2mm占總瀝青焦的重量百分比55％，粒徑≤0.15mm占總瀝青焦的重量百分比45％，制備的骨料粒徑為0.15mm-2mm。
(2)將上面準備好的骨料放進混捏鍋內，攪拌速率為45r/min，攪拌30min，溫度為160℃，然后將上面的中溫煤瀝青加熱到220℃，然后通過瀝青管道注入到混捏鍋中與骨料充分攪拌，由此得到糊料。
(3)將得到的糊料在180℃下壓制成圓柱體，進行下一步的塑性，將預成型的圓柱體進行擠壓，得到生坯制品。
(4)將上面的生坯制品放入氮氣電爐中，在隔絕空氣的條件下進行熱處理，首先是以升溫速率2.1℃/h從150℃升溫到550℃溫度；然后以升溫速率1.1℃/h從550℃升溫到900℃；最后以升溫速率1.5℃/h從900℃升溫到1400℃，得到滿足條件的受電弓碳滑條要求的材料。
上面的升溫過程中采用溫度報警儀進行控制，保證溫度報警儀的誤差范圍在5℃以內，產品內外結構沒有裂紋。
對上面得到的碳滑條進行性能測試，測試結果見表1。
實施例6
(1)按照重量百分比準備制備受電弓碳滑條的骨料為：氧化石墨烯3％、半補強炭黑10％、石墨粉7％，瀝青焦80％。
骨料與中溫煤瀝青的重量比為73:27，中溫煤瀝青軟化點為87℃，結焦值為58％，其中氧化石墨烯的拉伸模量為1.01TPa，極限強度116Gpa，半補強炭黑粒徑為0.08mm，電阻率0.4μΩ·m，瀝青焦的真密度2.50g/cm3，灰分0.45％，揮發(fā)分0.75％，石墨粉粒徑為0.5mm，其中，將瀝青焦進行破碎、磨粉、篩分，瀝青焦粒徑為0.5mm＜粒徑≤2mm占總瀝青焦的重量百分比57％，粒徑≤0.15mm占總瀝青焦的重量百分比43％，制備的骨料粒徑為0.15mm-2mm。
(2)將上面準備好的骨料放進混捏鍋內，攪拌速率為45r/min，攪拌35min，溫度為170℃，然后將上面的中溫煤瀝青加熱到220℃，然后通過瀝青管道注入到混捏鍋中與骨料充分攪拌，由此得到糊料。
(3)將得到的糊料在180℃下壓制成圓柱體，進行下一步的塑性，將預成型的圓柱體進行擠壓，得到生坯制品。
(4)將上面的生坯制品放入氮氣電爐中，在隔絕空氣的條件下進行熱處理，首先是以升溫速率2.0℃/h從150℃升溫到550℃溫度；然后以升溫速率1.0℃/h從550℃升溫到900℃；最后以升溫速率1.4℃/h從900℃升溫到1400℃，得到滿足條件的受電弓碳滑條要求的材料。
上面的升溫過程中采用溫度報警儀進行控制，保證溫度報警儀的誤差范圍在5℃以內，產品內外結構沒有裂紋。
對上面得到的碳滑條進行性能測試，測試結果見表1。
表1碳滑條性能測試結果
由表1可以看出，采用氧化石墨烯制備的受電弓碳滑條的導電性能好、機械強度高、抗沖擊性能好、耐磨損。
試驗例
該試驗例在制備方法相同的條件下考察了不同配料對制得的受電弓碳滑條的性能參數的影響。
對照品1：骨料中將氧化石墨烯換成天然石墨制備受電弓碳滑條，制備方法同實施例1；性能測試結果見表2。
對照品2：骨料中不加半補強炭黑制備受電弓碳滑條，制備方法同實施例1；性能測試結果見表2。
對照品3：骨料中半補強炭黑的粒徑范圍為：0.1mm≤粒徑≤0.15mm，制備方法同實施例1；性能測試結果見表2。
表2、各對照品的性能測試結果