CN106410553B - 一种高导电性碳刷材料及其制备方法 - Google Patents

一种高导电性碳刷材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种高导电性碳刷材料及其制备方法，其原料以重量份计由下列组分组成：15～20份氧化石墨烯、20～30份聚吡咯管、20～30份乙炔黑、2～5份氮化锆、2～5份氧化铬、10～20份环氧树脂、2～4份硅烷偶联剂、1～2份双氰胺以及3～5份电解铝粉。从而在保持成本较低和高导电性的同时，提高碳刷材料的耐磨性和硬度，从而降低碳刷工作时的火花，延长电机碳刷材料的使用寿命。

Description

一种高导电性碳刷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及碳刷材料技术领域，具体地说，是一种高导电性和耐磨性的碳刷材料及其制备方法。
背景技术
碳刷是一类导电滑动接触件，在许多电气设备中得到广泛的应用，它是电动机、发动机或者其他旋转机械的固定部分和转动部分之间传递能量和信号的装置。在电机中，碳刷是用于换向器或滑环上，作为导出导入电流的滑动接触体，其导电、导热以及润滑性能良好，并具有一定的机械强度和换向性火花的本能。几乎所有的电机都使用碳刷，是电机的重要组成部件。
目前大部分碳刷一般由石墨、金属材料、树脂胶黏剂以及其他助剂，经过烧结成型制成。尽管石墨具有良好的耐磨性，但在实际使用中，存在易磨损的问题，难以克服。如果不提高碳刷的耐磨损性能，必将严重影响到整个设备的使用性能和使用寿命，因此，研发具有高耐磨损性、高导电性的碳刷材料显得尤为重要。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高导电性碳刷材料及其制备方法，以解决现有技术的不足，在保持成本较低和高导电性的同时，提高碳刷材料的耐磨性和硬度，从而降低碳刷工作时的火花，延长电机碳刷材料的使用寿命。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种高导电性碳刷材料的原料以重量份计由下列组分组成：15～20份氧化石墨烯、20～30份聚吡咯管、20～30份乙炔黑、2～5份氮化锆、2～5份氧化铬、10～20份环氧树脂、2～4份硅烷偶联剂、1～2份双氰胺以及3～5份电解铝粉。
根据本发明的一实施例，所述高导电性碳刷材料适用于电机。
一种高导电性的碳刷材料制备方法，其包括步骤：
(a)将相应重量份的氧化石墨烯、聚吡咯管、乙炔黑、氮化锆、氧化铬、环氧树脂、硅烷偶联剂、电解铝粉和双氰胺按比例混合，投入混合机中混合均匀后，加热至80～100℃，保温2～3小时；
(b)继续搅拌0.5～1小时后出料，待物料冷却至室温后投入粉碎机中回流粉碎，所得粉体过100目筛，制得微粉；以及
(c)将所述微粉带线压制成型，成型后的产品送入烧结炉中进行高温高压烧结，烧结结束后经冷却、打孔、磨面、埋线和磨弧制成所述高导电性碳刷材料。
根据本发明的一实施例，所述高温高压烧结为真空热压烧结或放电等离子体烧结，腔体真空度为30～40Pa，烧结温度为900～1200℃，压强为20～30MPa，烧结时间为4～6小时。
本发明同现有技术相比，主要具有以下优点和有益效果：
1、氮化锆、氧化铬有良好的耐磨性和硬度，将其加入到碳刷材料中，能够提高碳刷材料的耐磨性和硬度；碳刷如果长时间工作，就会在换向器表面形成厚的碳皮膜，这种碳皮膜如果部分发生剥离，就会在剥离部分产生大的电流，进而产生电火花，会在碳刷表面产生凹凸不平，如果电流过大也会造成换向器表面的损坏。因此，向碳刷中加入氮化锆、氧化铬，使得碳刷工作时在换向器表面形成的碳皮膜被氮化锆、氧化铬削除；另外金属具有高的导电性，在碳刷材料中掺入金属锆、铬和电解铝粉能够保证碳刷材料高的导电性。
2、聚吡咯管、乙炔黑和氧化石墨烯都是导电性能较高的材料，与少量金属配合使用，减少金属含量，能减少电流过大时，产生电火花过大的问题，聚吡咯管中含有较多的N元素，聚吡咯管、乙炔黑和氧化石墨烯复合使用时，可对其电子结构进行调节；另外，三者可在摩擦表面形成光滑的润滑膜，使得磨损表面光滑平整，由于润滑膜的存在，使配副的摩擦因数减小，磨损机制也由粘着磨损变为磨粒磨损，并在不同的电流和速度下保持稳定；而表面光滑润滑膜的存在，降低了材料表面之间的不平度，材料表面之间产生微间隙的数量减少，从而降低电弧产生的几率，减小了电弧侵蚀，因而磨损率大幅降低。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
一种高导电性碳刷材料以重量份计由下列组分组成：15～20份氧化石墨烯、20～30份聚吡咯管、20～30份乙炔黑、2～5份氮化锆、2～5份氧化铬、10～20份环氧树脂、2～4份硅烷偶联剂、1～2份双氰胺以及3～5份电解铝粉。
其中，所述高导电性碳刷材料适用于电机。
一种高导电性碳刷材料的制备方法，其包括步骤：
(a)将相应重量份的氧化石墨烯、聚吡咯管、乙炔黑、氮化锆、氧化铬、环氧树脂、硅烷偶联剂、电解铝粉和双氰胺按比例混合，投入混合机中混合均匀后，加热至80～100℃，保温2～3小时；
(b)继续搅拌0.5～1小时后出料，待物料冷却至室温后投入粉碎机中回流粉碎，所得粉体过100目筛，制得微粉；以及
(c)将所述微粉带线压制成型，成型后的产品送入烧结炉中进行高温高压烧结，烧结结束后经冷却、打孔、磨面、埋线和磨弧制成所述高导电性碳刷材料。
其中，所述高温高压烧结为真空热压烧结或放电等离子体烧结，腔体真空度为30～40Pa，烧结温度为900～1200℃，压强为20～30MPa，烧结时间为4～6小时。
所述高导电性碳刷材料的制备工艺简单、原料易得、容易操作、成本低廉。
由于所述高导电性碳刷材料，加入了氮化锆和氧化铬，在保持成本较低和高导电性的同时，提高了碳刷材料的耐磨性和硬度，降低了碳刷工作时的火花，延长了电机碳刷材料的使用寿命。
其中，氮化锆、氧化铬有良好的耐磨性和硬度，将其加入到碳刷材料中，能够提高碳刷材料的耐磨性和硬度。碳刷如果长时间工作，就会在换向器表面形成厚的碳皮膜，这种碳皮膜如果部分发生剥离，就会在剥离部分产生大的电流，进而产生电火花，会在碳刷表面产生凹凸不平，如果电流过大也会造成换向器表面的损坏。因此，向碳刷中加入氮化锆、氧化铬，使得碳刷工作时在换向器表面形成的碳皮膜被氮化锆、氧化铬削除。另外金属具有高的导电性，在碳刷材料中掺入金属锆、铬和电解铝粉能够保证碳刷材料高的导电性。
所述高导电性碳刷材料以氧化石墨烯、聚吡咯管、乙炔黑作为电机碳刷的主要成分，由于其各自高的电化学性能，保证了电机碳刷的高导电性，与现有技术中以金属为主要导电物质的碳刷相比，降低了碳刷中金属含量，从而降低了碳刷工作时的火花，延长了电机碳刷材料的使用寿命。
其中，聚吡咯管、乙炔黑和氧化石墨烯都是导电性能较高的材料，与少量金属配合使用，减少金属含量，能减少电流过大时，产生电火花过大的问题，聚吡咯管中含有较多的N元素，聚吡咯管、乙炔黑和氧化石墨烯复合使用时，相当于N掺杂碳材料，使得材料有较高的化学活性和电导率，还可对其电子结构进行调节。另外，三者可在摩擦表面形成光滑的润滑膜，使得磨损表面光滑平整，由于润滑膜的存在，使配副的摩擦因数减小，磨损机制也由粘着磨损变为磨粒磨损，并在不同的电流和速度下保持稳定。而表面光滑润滑膜的存在，降低了材料表面之间的不平度，材料表面之间产生微间隙的数量减少，从而降低电弧产生的几率，减小了电弧侵蚀，因而磨损率大幅降低。
其中，乙炔黑具有良好的耐磨性，氧化石墨烯具有较小的摩擦系数，聚吡咯管得以增强碳刷的韧性。环氧树脂、硅烷偶联剂和双氰胺复合使用作为粘结剂，粘结强度大，兼具了树脂和偶联剂两种粘结剂的优点，既提高了碳刷的强度又有效防止碳刷由于添加氮化锆、氧化铬提高耐磨性的同时，产生过硬现象。锆和铬元素加入碳刷材料中后，与碳生成耐磨性能良好的Cr3C2-ZrCr2，能够达到较好的耐磨性能。
本发明下述实施例中所使用的原料来自于上海泉昕进出口贸易有限公司。
实施例1
一种高导电性碳刷材料以重量份计由下列组分组成：氧化石墨烯15份、聚吡咯管20份、乙炔黑20份、氮化锆2份、氧化铬2份、环氧树脂10份、硅烷偶联剂2份、双氰胺1份、电解铝粉3份。
一种高导电性碳刷材料，包括以下步骤：将氧化石墨烯、聚吡咯管、乙炔黑、氮化锆、氧化铬、环氧树脂、硅烷偶联剂、电解铝粉和双氰胺按上述比例混合，投入混合机中混合均匀后，加热至80℃，保温2小时，随后继续搅拌0.5小时后出料，待物料冷却至室温后投入粉碎机中回流粉碎，所得粉体过100目筛，再将所得微粉带线压制成型，成型后的产品送入烧结炉中进行高温高压烧结，烧结结束后经冷却、打孔、磨面、埋线和磨弧制成碳刷成品。
所述高温高压烧结为真空热压烧结，腔体真空度为30Pa，烧结温度为900℃，压强为20MPa，烧结时间为4小时。
实施例2
一种高导电性碳刷材料以重量份计由下列组分组成：氧化石墨烯17份、聚吡咯管22份、乙炔黑24份、氮化锆3份、氧化铬3份、环氧树脂15份、硅烷偶联剂3份、双氰胺2份、电解铝粉4份。
一种高导电性碳刷材料的制备方法，包括以下步骤：将氧化石墨烯、聚吡咯管、乙炔黑、氮化锆、氧化铬、环氧树脂、硅烷偶联剂、电解铝粉和双氰胺按比例混合，投入混合机中混合均匀后，加热至900℃，保温2.5小时，随后继续搅拌0.8小时后出料，待物料冷却至室温后投入粉碎机中回流粉碎，所得粉体过100目筛，再将所得微粉带线压制成型，成型后的产品送入烧结炉中进行高温高压烧结，烧结结束后经冷却、打孔、磨面、埋线和磨弧制成碳刷成品。
所述高温高压烧结为放电等离子体烧结，腔体真空度为35Pa，烧结温度为1100℃，压强为25MPa，烧结时间为5小时。
实施例3
一种高导电性碳刷材料以重量份计由下列组分组成：氧化石墨烯19份、聚吡咯管26份、乙炔黑27份、氮化锆4份、氧化铬4份、环氧树脂18份、硅烷偶联剂3份、双氰胺2份、电解铝粉5份。
一种高导电性碳刷材料的制备方法，包括以下步骤：将氧化石墨烯、聚吡咯管、乙炔黑、氮化锆、氧化铬、环氧树脂、硅烷偶联剂、电解铝粉和双氰胺按比例混合，投入混合机中混合均匀后，加热至88℃，保温3小时，随后继续搅拌1小时后出料，待物料冷却至室温后投入粉碎机中回流粉碎，所得粉体过100目筛，再将所得微粉带线压制成型，成型后的产品送入烧结炉中进行高温高压烧结，烧结结束后经冷却、打孔、磨面、埋线和磨弧制成碳刷成品。
所述高温高压烧结为真空热压烧结，腔体真空度为37Pa，烧结温度为1000℃，压强为27MPa，烧结时间为5.5小时。
实施例4
一种高导电性碳刷材料以重量份计由下列组分组成：氧化石墨烯20份、聚吡咯管20份、乙炔黑24份、氮化锆3份、氧化铬5份、环氧树脂16份、硅烷偶联剂4份、双氰胺2份、电解铝粉3.5份。
一种高导电性碳刷材料的制备方法，包括以下步骤：将氧化石墨烯、聚吡咯管、乙炔黑、氮化锆、氧化铬、环氧树脂、硅烷偶联剂、电解铝粉和双氰胺按比例混合，投入混合机中混合均匀后，加热至90℃，保温3小时，随后继续搅拌0.9小时后出料，待物料冷却至室温后投入粉碎机中回流粉碎，所得粉体过100目筛，再将所得微粉带线压制成型，成型后的产品送入烧结炉中进行高温高压烧结，烧结结束后经冷却、打孔、磨面、埋线和磨弧制成碳刷成品。
所述高温高压烧结为放电等离子体烧结，腔体真空度为40Pa，烧结温度为1200℃，压强为30MPa，烧结时间为6小时。
实施例5
一种高导电性碳刷材料以重量份计由下列组分组成：氧化石墨烯20份、聚吡咯管30份、乙炔黑30份、氮化锆5份、氧化铬5份、环氧树脂20份、硅烷偶联剂4份、双氰胺2份、电解铝粉4.5份。
一种高导电性碳刷材料的制备方法，包括以下步骤：将氧化石墨烯、聚吡咯管、乙炔黑、氮化锆、氧化铬、环氧树脂、硅烷偶联剂、电解铝粉和双氰胺按比例混合，投入混合机中混合均匀后，加热至100℃，保温3小时，随后继续搅拌1小时后出料，待物料冷却至室温后投入粉碎机中回流粉碎，所得粉体过100目筛，再将所得微粉带线压制成型，成型后的产品送入烧结炉中进行高温高压烧结，烧结结束后经冷却、打孔、磨面、埋线和磨弧制成碳刷成品。
所述高温高压烧结为真空热压烧结，腔体真空度为40Pa，烧结温度为1200℃，压强为30MPa，烧结时间为6小时。
实施例样品和对比例样品物理性能测试如下，测试条件：室温；测试方法：1、按JB/TB133.2-1999进行电阻率试验；2、按JB/T8133.14-1999进行体积密度试验；3、按JB/T8133.3-1999进行洛氏硬度试验；4、按GB/T 12444.1-1990进行磨损量试验，测试结果如表1所示。对比例样品为市售的碳刷材料。
实施例1至实施例5制得的所述高导电性碳刷材料的测试结果如表1所示。
表1实施例1-5的碳刷材料物理性能检测结果
从表1中数据可知，本实施例中制备得到的电机碳刷材料有较好的耐磨性、硬度和较高的电导率，满足电机等设备对碳刷材料性能要求。
对比例6至对比例10
对比例6至对比例10的碳刷材料的制备方法同实施例5，不同之处在于原料中部分成分含量的不同，各对比例中的部分组分如表2所示。其中，对比例6至对比例10的所述碳刷材料的检测结果如表3所示。
表2对比例6-10的碳刷材料的组分含量
其中，表2中未列其他成分含量及制备方法同实施例5。
表3对比例6-10的碳刷材料物理性能检测结果
从表3中数据可知，氮化锆、氧化铬加入到碳刷材料中，得以提高碳刷材料的耐磨性和硬度。聚吡咯管、乙炔黑和氧化石墨烯复合使用时，得以保证碳刷材料较高的电导率和耐磨性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (1)

1.一种高导电性碳刷材料制备方法，其特征在于，包括步骤：
(a)将20份的氧化石墨烯、30份聚吡咯管、30份乙炔黑、5份氮化锆、5份氧化铬、20份环氧树脂、4份硅烷偶联剂、2份双氰胺以及4.5份电解铝粉混合，投入混合机中混合均匀后，加热至100℃，保温3小时；
(b)继续搅拌1小时后出料，待物料冷却至室温后投入粉碎机中回流粉碎，所得粉体过100目筛，制得微粉；以及
(c)将所述微粉带线压制成型，成型后的产品送入烧结炉中进行高温高压烧结，烧结结束后经冷却、打孔、磨面、埋线和磨弧制成所述高导电性碳刷材料，其中，所述高温高压烧结为真空热压烧结或放电等离子体烧结，腔体真空度为40Pa，烧结温度为1200℃，压强为30MPa，烧结时间为6小时。
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