一種碳纖維增強石墨接地網導體材料及其製備方法與流程
2023-10-10 02:33:09
本發明屬於石墨接地網電極材料技術領域，尤其涉及一種碳纖維增強的石墨接地網導體材料及其製備方法。
背景技術：
變電站接地網是用來連接電氣設備和大地的大型接地系統，用於工作接地、防雷接地、確保人身和設備安全，是不可缺少的重要設施。我國有關交直流方式輸送電能的需求正在漸漸地靠近於大容量、特高壓以及遠距離的標準。全球能源網際網路概念的提出，又對接地網提出了綠色環保的新要求。保障變電站長期穩定運行的主要推動力是良好的接地網系統，接地網安全運行需要通過接地材料將閃電等電流傳給大地，接地材料直接掌握著接地網的命脈。目前國內外輸變電系統接地網材料通常採用銅和鋼等金屬，銅和鋼材料在生產過程中產生廢氣、廢液、廢渣，對環境造成嚴重的破壞。在土壤環境較差的條件下，材料的腐蝕性問題突出。隨著使用年限的增長，腐蝕嚴重導致材料斷裂，大大降低了接地網的安全性能，對設備和人身安全構成隱患。
採用導電性強、耐腐蝕性好的非金屬材料替換現在的金屬材料，是現在解決金屬材料腐蝕性問題的重要途徑之一。石墨材料具有導熱以及導電性能優良，耐受腐蝕能力強等特點，成為了非金屬用料的首選。石墨具有良好的吸水性和保溼性，與土壤的貼合度較高，本身具有散發性的電解質離子，可擴散石墨材料周圍3-5m的土壤中，能夠提高材料與土壤、巖石間的導電性，從而使得接觸電阻變小。作為耐高溫、耐腐蝕、導電良好的石墨電極材料已在輸變電接地系統中應用。然而，石墨材料屬於脆性材料，抗壓強度高、抗拉強度和抗彎強度低，在實際運行後易斷裂。傳統的擠出石墨電極材料石墨粉與瀝青粘結劑的重量組分分別為85％和15％，所製備的石墨材料抗彎強度僅為63mpa，電導率僅為224.52s/cm。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種碳纖維增強石墨接地網導體材料及其製備方法，解決石墨電極材料易斷裂、抗拉和抗彎強度低的問題。
為實現上述目的，本發明提供了一種碳纖維增強石墨接地網導體材料，包括2-11％重量組分的碳纖維、74-83％重量組分的石墨粉和15％重量組分的粘結劑。
優選的，所述碳纖維為400目的磨碎碳纖維或3mm的短切碳纖維。
優選的，所述石墨粉為80-120目石墨，碳含量≥99％，灰分≤0.02％。
優選的，所述粘結劑為中溫瀝青，軟化點為75-85℃，灰分≤0.05％。
本發明還提供一種碳纖維增強石墨接地網導體材料的製備方法，包括以下步驟：
(1)材料準備，將石墨粉進行研磨，經80-120目篩子過濾，再經風旋機除塵；
將瀝青加熱熔化，在90℃溫度下保溫；
將12k的短切碳纖維或磨碎碳纖維在丙酮溶液中浸泡，進行表面處理；
(2)配料，將經步驟(1)處理後的石墨粉和碳纖維按照一定的比例加入攪拌鍋中，在攪拌鍋中混合均勻；
(3)混捏，將經步驟(2)處理後的石墨粉和碳纖維放入混捏機中，進行預熱，然後與液態瀝青在混捏機中進行攪拌混捏，混捏均勻後使用對輥機將其壓製成片，在對輥機的中間孔隙中加入加熱管對其進行加熱，防止因對輥機表面的溫度低造成碳纖維增強石墨接地網導體材料變硬，不易壓型；
(4)壓型，將經步驟(3)處理過的複合材料加入壓型機內壓型，採用擠出的成型方法成型；
(5)焙燒，將步驟(4)中擠出的碳纖維增強石墨接地網導體材料裁剪、校直，在無氧的焙燒窯中進行焙燒，自然冷卻到室溫，獲得最終的碳纖維增強石墨接地網導體材料。
優選的，所述步驟(2)中攪拌鍋的轉速為40次/分鐘，攪拌時間為30分鐘。
優選的，所述步驟(3)中混捏機的預熱時間為3分鐘，混捏機的轉速為40次/分鐘，混捏溫度為80℃，對輥機的轉速為50次/分鐘。
優選的，所述步驟(5)中焙燒溫度為900℃或1200℃，焙燒時間對應的為7天或9天。
採用上述碳纖維增強石墨接地網導體材料及其製備方法製備的碳纖維增強石墨接地網導體材料的抗彎強度可達到107mpa，電導率可以達到314.27s/cm。
本發明的有益效果是：在傳統的石墨材料中加入粒徑較小的磨碎碳纖維或長度較短的短切碳纖維，經充分的攪拌後，碳纖維能夠均勻、彌散的分布在石墨材料中，從而顯著改善石墨材料脆性大易斷裂的問題，提高石墨材料的抗彎性能和電學性能。
下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
附圖說明
圖1為本發明一種碳纖維增強石墨接地網導體材料及其製備方法實施例的工藝流程圖。
具體實施方式
以下將結合附圖對本發明作進一步的描述，需要說明的是，本實施例以本技術方案為前提，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍並不限於本實施例。
實施例一
如圖1所示，本發明提供一種碳纖維增強石墨接地網導體材料，包括2％重量組分的磨碎碳纖維，83％重量組分的石墨粉和15％重量組分的瀝青粘結劑。
碳纖維增強石墨接地網導體材料製備方法為：
材料準備：將石墨粉進行研磨，經80-120目篩子過濾，再經風旋機除塵，備用；將瀝青熔化加熱呈液體狀態，溫度為90℃，備用；將12k的400目磨碎碳纖維進行丙酮溶液浸泡表面處理，備用。
配料：將處理過的磨碎碳纖維和石墨粉在攪拌鍋中進行充分混合，攪拌鍋的轉速為40次/分鐘，攪拌時間為30分鐘。
混捏：將攪拌均勻的石墨粉和磨碎碳纖維放入在混捏機中，與瀝青粘結劑進行攪拌混捏，混捏時先要對混捏機進行預熱，預熱時間為3分鐘，保持混捏機機底溫度為300℃，混捏機的轉速為40次/分鐘，混捏溫度為80℃。混捏均勻後的材料經對輥機壓製成片，以壓實複合材料、增加密度，對輥機上設置有為對輥機加熱的1000w的加熱管，防止混合料接觸到溫度較低的輥子時變硬，不易於成型，對輥時保持材料的溫度為50℃，對輥機的轉速為50次/分鐘。
壓型：將混捏對輥後的磨碎碳纖維、石墨粉和粘結劑的複合材料加入500噸壓力壓型機內壓型，以擠出型為成型方式。
焙燒：將擠出的碳纖維增強石墨材料經裁剪、校直後，在900℃條件下進行焙燒，焙燒時間為7天，然後自然冷卻到室溫。
最終獲得的碳纖維增強石墨接地網導體材料的抗彎強度為78mpa，電導率為263.37s/cm。
實施例二
本實施例與實施例一的區別在於：磨碎碳纖維的重量組分為5％，石墨粉的重量組分為80％，瀝青粘結劑的重量組分為15％。
碳纖維增強石墨接地網導體材料的焙燒溫度為1200℃，焙燒時間為9天。
最終獲得的碳纖維增強石墨接地網導體材料的抗彎強度為78mpa，電導率為276.63s/cm。
實施例三
本實施例與實施例一的區別在於：磨碎碳纖維的重量組分為8％，石墨粉的重量組分為77％，瀝青粘結劑的重量組分為15％。
碳纖維增強石墨接地網導體材料的焙燒溫度為1200℃，焙燒時間為9天。
最終獲得的碳纖維增強石墨接地網導體材料的抗彎強度為65mpa，電導率為314.27s/cm。
實施例四
本實施例與實施例一的區別在於：磨碎碳纖維的重量組分為11％，石墨粉的重量組分為74％，瀝青粘結劑的重量組分為15％。
碳纖維增強石墨接地網導體材料的焙燒溫度為900℃，焙燒時間為7天。
最終獲得的碳纖維增強石墨接地網導體材料的抗彎強度為107mpa，電導率為188.79s/cm。
實施例五
本實施例與實施例一的區別在於：12k的3mm短切碳纖維的重量組分為2％，石墨粉的重量組分為83％，瀝青粘結劑的重量組分為15％。
碳纖維增強石墨接地網導體材料的焙燒溫度為1200℃，焙燒時間為9天。
最終獲得的碳纖維增強石墨接地網導體材料的抗彎強度為81mpa，電導率為290.95s/cm。
實施例六
本實施例與實施例一的區別在於：12k的3mm短切碳纖維的重量組分為5％，石墨粉的重量組分為80％，瀝青粘結劑的重量組分為15％。
碳纖維增強石墨接地網導體材料的焙燒溫度為900℃，焙燒時間為7天。
最終獲得的碳纖維增強石墨接地網導體材料的抗彎強度為87mpa，電導率為207.13s/cm。
實施例七
本實施例與實施例一的區別在於：12k的3mm短切碳纖維的重量組分為8％，石墨粉的重量組分為77％，瀝青粘結劑的重量組分為15％。
碳纖維增強石墨接地網導體材料的焙燒溫度為900℃，焙燒時間為7天。
最終獲得的碳纖維增強石墨接地網導體材料的抗彎強度為98mpa，電導率為192.16s/cm。
實施例八
本實施例與實施例一的區別在於：12k的3mm短切碳纖維的重量組分為11％，石墨粉的重量組分為74％，瀝青粘結劑的重量組分為15％。
碳纖維增強石墨接地網導體材料的焙燒溫度為1200℃，焙燒時間為9天。
最終獲得的碳纖維增強石墨接地網導體材料的抗彎強度為43mpa，電導率為285.63s/cm。
採用本發明實施例四中的11％重量組分的磨碎碳纖維，74％重量組分的石墨粉和15％重量組分的瀝青粘結劑，在900℃的溫度下焙燒7天，製備的碳纖維增強石墨接地網導體材料抗彎強度性能最優，抗彎強度為107mpa。
本發明在傳統的石墨材料中加入粒徑較小的磨碎碳纖維或長度較短的短切碳纖維，經充分的攪拌後，碳纖維能夠均勻、彌散的分布在石墨材料中，從而改善石墨材料脆性大的問題，提高石墨材料的抗彎性能和電學性能。碳纖維增強石墨接地網導體材料的抗彎強度可以達到107mpa，電導率可以達到314.27s/cm。本發明所述的碳纖維增強石墨接地網導體材料具有抗彎強度高、電學性能優異、耐腐蝕性能好和耐高溫的特點，完全能夠替代傳統的石墨材料作為接地網材料使用。
最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其進行限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而這些修改或者等同替換亦不能使修改後的技術方案脫離本發明技術方案的精神和範圍。