CN106057272B - 一种石墨烯改性滑动电接触材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种石墨烯改性滑动电接触材料及其制备方法。它由以下重量份的组元制成：基体组元68～70，摩擦组元0.2～0.4，润滑组元 29.4～31.8；所述基体组元由铜或石墨烯改性铜组成，所述基体组元中石墨烯所占的重量份为0～1.5；所述摩擦组元由二氧化硅或石墨烯改性二氧化硅组成，所述摩擦组元中石墨烯所占的重量份为0～15；所述润滑组元为石墨；所述基体组元、摩擦组元中所含的石墨烯为3～7层石墨烯。该电接触材料采用石墨烯改性组元材料、生产成本低、综合性能优良，所采用制备方法简单，生产安全性好。

Description

一种石墨烯改性滑动电接触材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电接触材料领域，特别是一种采用石墨烯改性组元材料、生产成本低、综合性能优良的石墨烯改性滑动电接触材料及其制备方法，属于一种改良的新型滑动电接触材料。
背景技术
滑动电接触材料主要是通过与对偶件产生平移运动或旋转运动来实现静止物体到运动物体的电能传输，其性能的优劣直接影响母体设备能否长时间正常运转，滑动传输时的这种强电流-复杂动载荷-电化学腐蚀多因素耦合条件下的工况往往要求滑动电接触材料具备良好的耐磨、耐腐蚀性以及优异的导电导热等特点，由于铜石墨复合材料兼顾铜基体良好的强度、硬度、导电导热性以及石墨良好的自润滑性等特点，因而被广泛地应用于滑动接触部件，如集电环、电枢和电刷等。
石墨烯是由单层碳原子通过共价键结合而成，具有规则六方对称的理想结构，石墨烯极高的电子迁移率(~23000cm2/(V·s))、高热导率(~5000W/(m·K))使其在导电导热材料领域具有广阔的应用前景，同时由于石墨烯的高强度(断裂强度达130GPa)和承载能力，能通过与其他材料复合形成具有自润滑和高结合特性的连续转移膜从而作为耐磨材料的优良选择。
专利文献（公开号为CN 102385938 A）公开了“一种金属基石墨烯复合电接触材料的制备方法”的专利技术，其所述电接触材料采用0.02wt.%~10wt.%的石墨烯，其余为金属基体，通过化学还原结合真空熔炼法制得电接触材料，该专利方案制备的电接触材料具有优越的导电性、导热性、耐磨性以及抗熔焊能力，该专利方案的不足是所用原料水合肼具有剧毒性，加上石墨烯与铜的不互溶性，在熔炼过程中存在分散不均匀的现象，从而对制成的电接触材料的性能产生不利影响。
专利文献（公开号为CN 105385883 A）公开了“一种电触头材料的制备方法”的专利技术，其所述电触头材料由重量组成为0.1-3.0% 镀镍石墨烯和97.0-99.9% 铜合金组成，通过磁控溅射法结合热压法制得电接触材料，该专利方案使石墨烯与金属实现良好界面结合，从而使材料具有优异的力学性能、抗电弧烧蚀性能、耐腐蚀以及抗熔焊性能，该专利方案的不足是采用磁控溅射法将大大地提高电触头材料的制造成本，难以实现性能与成本之间的平衡。
专利文献（公开号为CN103952588A）公开了“高强高导石墨烯铜基复合材料及其制备方法”的专利技术，其所述复合材料采用0.01wt.%的石墨烯，余量为铜，通过化学还原和放电等离子烧结技术制得石墨烯铜基复合材料，该专利方案所制备的石墨烯铜基复合材料具有较高的压缩屈服强度、优良的导电率、及良好的耐磨性能，该专利方案的不足是所用原材料具有剧毒性，另外采用放电等离子烧结提高了制造的成本，因此该专利方案不适用于大量生产。
发明内容
本发明的目的是针对现有石墨烯电接触材料生产成本高、综合性能不理想、生产安全隐患大的不足，提供一种石墨烯改性滑动电接触材料及其制备方法，该电接触材料采用石墨烯改性组元材料、生产成本低、综合性能优良，所采用制备方法简单，生产安全性好。
为了解决上述现有技术问题,本发明的技术方案是:
本发明一种石墨烯改性滑动电接触材料，它由以下重量份的组元制成：
基体组元 68～70，
摩擦组元 0.2～0.4，
润滑组元 29.4～31.8；
所述基体组元由铜或石墨烯改性铜组成，所述基体组元中石墨烯所占的重量份为0～1.5；
所述摩擦组元由二氧化硅或石墨烯改性二氧化硅组成，所述摩擦组元中石墨烯所占的重量份为0～15；
所述润滑组元为石墨；
所述基体组元、摩擦组元中所含的石墨烯为3～7层石墨烯。
如上所述的一种石墨烯改性滑动电接触材料，其制备方法如下：
(1)、采用溶胶凝胶法实现氧化石墨烯与二氧化硅的原位复合，并以氢气作为保护气氛，在管式炉中保温1～10min实现氧化石墨烯的还原，得到石墨烯改性二氧化硅；
(2)、将氧化石墨烯配制成一定浓度的水分散液，喷涂到温度为150℃的铜箔上，并以氢气作为保护气氛，在管式炉中保温1～10min实现氧化石墨烯的还原；
(3)、将步骤(2)中的得到的石墨烯粉末与铜粉放入球磨罐中，进行球磨，得到铜粉与石墨烯均匀混合的粉末混合物；
(4)、将二氧化硅或步骤(1)中制得的石墨烯改性二氧化硅作为摩擦组元，将铜粉或步骤(3)中制得的粉末混合物作为基体组元，将石墨作为润滑组元，将基体组元、摩擦组元、润滑组元进行混合，并在200～300MPa下模压成形，以氢气为保护气氛下在880～910℃下烧结，保温时间90min，得到石墨烯改性滑动电接触材料。
所述步骤(1)和(2)中管式炉的温度为700℃～900℃；
所述步骤(3)中的球磨工艺参数为：球料比为10:1，转速为200～300r/min；
所述步骤(3)中的球磨方式为：每球磨55min停止5min，球磨顺时针、逆时针交替运行；
所述步骤(3)中的球磨时间为24小时。
本发明提供的石墨烯改性滑动电接触材料，可以根据材料所需的工况条件对不同组元进行石墨烯的复合，与摩擦组元复合主要是由于石墨烯具有优良的导电性，从而可以改善一般摩擦组元导电性较差的特点，并且由于二氧化硅表面存在大量的悬空键，因此能与石墨烯实现稳定的结合；而与基体组元复合，首先可以实现弥散强化，提高铜基体的强度，提高基体的导电导热性，其次能够改善基体与石墨的界面特性，从而提高材料的耐磨性能；采用热还原工艺能获得层数为3~7的石墨烯。
本发明一种石墨烯改性滑动电接触材料及其制备方法,其有益效果有：
1、采用将氧化石墨烯热喷至铜箔的方式，可以在氧化石墨烯表面获得大量的铜纳米结合点，从而在还原后的球磨过程中，能与铜粉实现均匀的混合，使得制成的石墨烯改性滑动电接触材料材质均匀、综合性能优良；
2、采用溶胶凝胶法能制得与氧化石墨烯成键的二氧化硅，通过热还原获得石墨烯改性二氧化硅，提高摩擦组元的导电性，使得制成的石墨烯改性滑动电接触材料导电性能更加优越；
3、相对于同类产品的制备方法，本发明所采用的制备方法更加简单，生产成本低，同时生产过程中避免采用有毒原材料，生产安全性好。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
实施例1
本发明一种石墨烯改性滑动电接触材料，它由以下重量份的组元制成：
基体组元 68，
摩擦组元 0.2，
润滑组元 31.8；
所述基体组元由铜组成；
所述摩擦组元由石墨烯改性二氧化硅组成，所述摩擦组元中石墨烯所占的重量份为10；
所述润滑组元为石墨；
所述基体组元、摩擦组元中所含的石墨烯为3～7层石墨烯。
如上所述的一种石墨烯改性滑动电接触材料，其制备方法如下：
(1)、在24ml正丙醇的烧杯中，加入0.282mg/ml的氧化石墨烯水分散液70ml，25%的氨水120ml和十六烷基三甲基溴化铵18.2g，充分搅拌并超声分散2h(A溶液)，
在24ml正丙醇的烧杯中，加入正硅酸乙酯24ml(B溶液)，
超声完毕后，向溶液A中逐滴加入溶液B，滴加时间为30min，并在1000r/min的条件下磁力搅拌1h，
上述溶胶陈化12h后，在80℃的鼓风干燥箱中烘干成凝胶，
管式炉在氢气气氛条件下加热至700℃后，将上述凝胶置于烧舟中迅速推入管式炉的恒温区保温10min，得到石墨烯改性二氧化硅；
(2)、称取步骤（1）中制得的石墨烯改性二氧化硅0.2g、铜粉68g、石墨粉31.8g在V型混料机中混合1h，
称取一定量上述混合粉，在200MPa下模压成形，并在以氢气为保护气氛下于880℃下烧结，保温时间为90min，得到石墨烯增滑动电接触材料。
实施例2
本发明一种石墨烯改性滑动电接触材料，它由以下重量份的组元制成：
基体组元 68，
摩擦组元 0.2，
润滑组元 31.8；
所述基体组元由石墨烯改性铜组成，所述基体组元中石墨烯所占的重量份为1；
所述摩擦组元由二氧化硅组成；
所述润滑组元为石墨；
所述基体组元、摩擦组元中所含的石墨烯为3～7层石墨烯。
如上所述的一种石墨烯改性滑动电接触材料，其制备方法如下：
(1)、将氧化石墨烯配制成1mg/ml的水分散液，并装于喷雾器中，
将1m×1m×0.01m的铜箔于电热板上加热至150℃后，将上述分散液以
喷嘴平行于铜箔的方向均匀喷洒至铜箔上，
管式炉在氢气气氛条件下加热至700℃后，将上述铜箔裁成一定
尺寸置于烧舟中迅速推入管式炉的恒温区保温10min，得到载有铜纳米点的石墨烯；
(2)、称取0.68g上述石墨烯粉与67.32g的铜粉，按10:1的球料比，
将磨球、石墨烯粉、铜粉装入球磨机，球磨转速为200r/min，球磨时间为24h，得到与石墨烯均匀分散的铜粉；
(3)、将步骤(2)中制得的铜粉与31.8g石墨粉和0.2g二氧化硅粉在V型混料机中混合1h，称取一定量上述混合粉，在200MPa下模压成形，并在以氢气为保护气氛下于880℃下烧结，保温时间为90min，得到石墨烯改性滑动电接触材料。
实施例3
本发明一种石墨烯改性滑动电接触材料，它由以下重量份的组元制成：
基体组元 68，
摩擦组元 0.2，
润滑组元 31.8；
所述基体组元由铜组成；
所述基体组元由石墨烯改性铜组成，所述基体组元中石墨烯所占的重量份为1；
所述摩擦组元由石墨烯改性二氧化硅组成，所述摩擦组元中石墨烯所占的重量份为10；
所述润滑组元为石墨；
所述基体组元、摩擦组元中所含的石墨烯为3～7层石墨烯。
如上所述的一种石墨烯改性滑动电接触材料，其制备方法如下：
(1)、在24ml正丙醇的烧杯中，加入0.282mg/ml的氧化石墨烯水分散液70ml，25%的氨水120ml和十六烷基三甲基溴化铵18.2g，充分搅拌并超声分散2h(A溶液)，
在24ml正丙醇的烧杯中，加入正硅酸乙酯24ml(B溶液)，
超声完毕后，向溶液A中逐滴加入溶液B，滴加时间为30min，并在1000r/min的条件下磁力搅拌1h，
上述溶胶陈化12h后，在80℃的鼓风干燥箱中烘干成凝胶，
管式炉在氢气气氛条件下加热至700℃后，将上述凝胶置于烧舟中迅速推入管式炉的恒温区保温10min，得到石墨烯改性二氧化硅；
(2)、将氧化石墨烯配制成1mg/ml的水分散液，并装于喷雾器中，
将1m×1m×0.01m的铜箔于电热板上加热至150℃后，将上述分散液以
喷嘴平行于铜箔的方向均匀喷洒至铜箔上，
管式炉在氢气气氛条件下加热至700℃后，将上述铜箔裁成一定
尺寸置于烧舟中迅速推入管式炉的恒温区保温10min，得到载有铜纳米点的石墨烯；
(3)、称取0.68g上述石墨烯粉与67.32g的铜粉，按10:1的球料，
将磨球、石墨烯粉、铜粉装入球磨机，球磨转速为200r/min，球磨时间为24h，得到与石墨烯均匀分散的铜粉；
(4)、称取0.2g石墨烯改性二氧化硅粉、31.8g石墨粉、与步骤（3）中制得的铜粉在V型混料机中混合1h，
称取一定量上述混合粉，在200MPa下模压成形，并在以氢气为保护气氛下于880℃下烧结，保温时间为90min，得到石墨烯改性滑动电接触材料。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
对比例1
取二氧化硅0.2g，铜粉68g，石墨粉31.8g在V型混料机中混合1h；
称取一定量上述混合粉，在200MPa下模压成形，并在以氢气为保护气氛下于880℃下烧结，保温时间为90min，得到滑动电接触材料。
下表为在电流密度为67A/cm2、线速度为1.55m/s、负荷为2.2MPa的条件下对实施例1、2、3和对比例1的体积磨损率和电阻率的计算值。

Claims (7)

1.一种石墨烯改性滑动电接触材料，其特征在于，它由以下重量份的组元制成：基体组元 68～70，摩擦组元 0 .2～0 .4，润滑组元 29 .4～31 .8；所述电接触材料的组元配比方案1为：所述基体组元由石墨烯改性铜组成，所述基体组元中石墨烯所占的重量份为1～1.5，所述摩擦组元由二氧化硅组成，所述摩擦组元中石墨烯所占的重量份为0,所述润滑组元为石墨,所述石墨烯改性铜采用将氧化石墨烯配制成一定浓度的水分散液，喷涂到铜箔上，并以氢气作为保护气氛，在管式炉中保温实现氧化石墨烯的还原,将得到的石墨烯粉末与铜粉放入球磨罐中，进行球磨，得到铜粉与石墨烯均匀混合的粉末混合体,而得到石墨烯改性铜；所述电接触材料的组元配比方案2为：所述基体组元由铜组成，所述基体组元中石墨烯所占的重量份为0，所述摩擦组元由石墨烯改性二氧化硅组成，所述摩擦组元中石墨烯所占的重量份为10～15,所述润滑组元为石墨,所述石墨烯改性二氧化硅采用溶胶凝胶法实现氧化石墨烯与二氧化硅的原位复合，并以氢气作为保护气氛，在管式炉中保温实现氧化石墨烯的还原，得到石墨烯改性二氧化硅；所述电接触材料的组元配比方案3为：所述基体组元由石墨烯改性铜组成，所述基体组元中石墨烯所占的重量份为1～1.5，所述摩擦组元由石墨烯改性二氧化硅组成，所述摩擦组元中石墨烯所占的重量份为10～15,所述润滑组元为石墨,所述石墨烯改性铜采用将氧化石墨烯配制成一定浓度的水分散液，喷涂到铜箔上，并以氢气作为保护气氛，在管式炉中保温实现氧化石墨烯的还原,将得到的石墨烯粉末与铜粉放入球磨罐中，进行球磨，得到铜粉与石墨烯均匀混合的粉末混合体,而得到石墨烯改性铜,所述石墨烯改性二氧化硅采用溶胶凝胶法实现氧化石墨烯与二氧化硅的原位复合，并以氢气作为保护气氛，在管式炉中保温实现氧化石墨烯的还原，得到石墨烯改性二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性滑动电接触材料，其特征在于，所述基体组元、摩擦组元中所含的石墨烯为3～7层石墨烯。
3.如权利要求1所述的一种石墨烯改性滑动电接触材料的制备方法，其特征在于，所述
制备方法如下：( 1 )、采用溶胶凝胶法实现氧化石墨烯与二氧化硅的原位复合，并以氢气作为保护气氛，在管式炉中保温1～10min实现氧化石墨烯的还原，得到石墨烯改性二氧化硅；( 2 )、将氧化石墨烯配制成一定浓度的水分散液，喷涂到温度为150℃的铜箔上，并以氢气作为保护气氛，在管式炉中保温1～10min实现氧化石墨烯的还原；( 3 )、将步骤( 2 )中的得到的石墨烯粉末与铜粉放入球磨罐中，进行球磨，得到铜粉与石墨烯均匀混合的粉末混合体；( 4 )、将二氧化硅作为摩擦组元，将步骤( 3 )中制得的粉末混合物作为基体组元，将石墨作为润滑组元，或将步骤( 1 )中制得的石墨烯改性二氧化硅作为摩擦组元，将铜粉作为基体组元，将石墨作为润滑组元，或将步骤( 1 )中制得的石墨烯改性二氧化硅作为摩擦组元，将步骤(3 )中制得的粉末混合物作为基体组元，将石墨作为润滑组元，然后将基体组元、摩擦组元、润滑组元进行混合，并在200～300MPa下模压成形，以氢气为保护气氛下在880～910℃下烧结，保温时间90min，得到石墨烯改性滑动电接触材料。
4.根据权利要求3所述的一种石墨烯改性滑动电接触材料的制备方法，其特征在于，所
述步骤(1 )和( 2 )中管式炉的温度为700℃～900℃。
5.根据权利要求3所述的一种石墨烯改性滑动电接触材料的制备方法，其特征在于，所
述步骤( 3 )中的球磨工艺参数为：球料比为10:1，转速为200～300r/min。
6.根据权利要求3所述的一种石墨烯改性滑动电接触材料的制备方法，其特征在于，所
述步骤( 3 )中的球磨方式为：每球磨55min停止5min，球磨顺时针和逆时针交替运行。
7.根据权利要求3所述的一种石墨烯改性滑动电接触材料的制备方法，其特征在于，所
述步骤( 3 )中的球磨时间为24小时。
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