CN106521367A - 一种石墨烯‑玄武岩纤维增强的铜基石墨电机碳刷及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯‑玄武岩纤维增强的铜基石墨电机碳刷及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯‑玄武岩纤维增强的铜基石墨电机碳刷，该碳刷材料以天然鳞片石墨作为碳材料，在其表面沉积聚多巴胺膜层以改善其表面性能，提高其与其它原料的结合性和分散性，获得致密度更高的坯体，并掺入了纳米铜、锌合金粉等原料，提升了材料的综合力学性能，加入的石墨烯‑玄武岩纤维增强效果显著，不仅提高了各原料间的把持力，防止摩擦过程中微粒脱落而加速磨损，此外，本发明以钇溶胶作为粘接剂，具有良好的粘接力，烧结后无残炭，对体系无不良影响，最终制备的碳刷材料较之传统的金属石墨碳刷兼具优良的硬度和耐磨损性，电性能良好，不易打火，使用寿命更长。

Description

一种石墨烯-玄武岩纤维增强的铜基石墨电机碳刷及其制备 方法
技术领域
本发明涉及石墨碳刷技术领域，尤其涉及一种石墨烯-玄武岩纤维增强的铜基石墨电机碳刷及其制备方法。
背景技术
碳刷是电动机中固定部分和转动部分之间传递能量或信号的一类摩擦装置，是电动机的重要组成部件，是一种石墨和胶粘剂的混合体，由于其主要成分是碳，所以称为碳刷。碳刷作为导出导入电流的滑动接触体，要求其具有良好的导电、导热以及润滑性能，并具有一定的机械强度和换向性火花的性，随着科学技术的发展，电机的种类和使用的工况条件越来越多样化，对碳刷材料的综合性能要求也越来越高。
按原材料的组成和生产工艺，碳刷材料可分为碳石墨类、电化石墨类、金属石墨类，其中金属石墨类碳刷制作周期较短，制作工艺相对简单，应用较为广泛。传统的金属石墨类碳刷主要是鳞片石墨与铜粉、银粉、锡粉等金属粉体在粘接剂的作用下混合、压制、烧结制备得到，金属元素的添加可显著的影响材料的硬度、韧性、导电性以及摩擦性能，金属的种类和配比是实现材料综合性能协调的关键；除此之外，体系中的粘接剂、功能助剂等原料对碳刷的性能也有重要的影响。《Pb及Sn的添加对高铜碳刷组织结构及性能的影响》一文介绍了Pb、Sn合金元素对含铜碳刷的性能影响，结果表明，合金元素的对材料的硬度、韧性有一定程度的提高，但是在导电性以及耐磨性上表现较差，材料性能的整体协调性较弱，使用效果不佳；有研究报道，纳米材料的添加对碳刷的耐磨性有一定的改善作用，比如《碳纳米管增强树脂/石墨碳刷的制备与性能研究》一文引入碳纳米管作为改性剂，有效的降低了材料的摩擦系数，耐磨性能佳，但是其中的环氧树脂粘接剂受热形成的炭化颗粒在摩擦过程中容易脱落，导致表面出现缺陷，加速磨损，长时间工作后导致碳刷性能变差。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种石墨烯-玄武岩纤维增强的铜基石墨电机碳刷及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种石墨烯-玄武岩纤维增强的铜基石墨电机碳刷，该碳刷材料由以下重量份的原料制成：碳纳米微球1-2、天然鳞片石墨粉12-20、纳米铜粉3-5、铜粉30-40、锌合金粉1-2、氧化石墨烯0.3-0.5、玄武岩纤维1-2、钇溶胶30-40、Tris-HCl缓冲溶液适量、盐酸多巴胺2-3、去离子水50-60、水合肼适量。
所述的玄武岩纤维直径≤0.5μm，长度≤0.1μm。
所述的一种石墨烯-玄武岩纤维增强的铜基石墨电机碳刷的制备方法包括以下步骤：
（1）先取去离子水投入反应容器中，接着加入盐酸多巴胺，搅拌至其完全溶解后滴加Tris-HCl缓冲溶液，调节体系pH值为8-8.5，得多巴胺溶液备用；
（2）取30-40重量份的多巴胺溶液，加入天然鳞片石墨粉，搅拌混合均匀后静置36-48h，处理结束后过滤，过滤物经水洗后干燥，得表面改性的天然鳞片石墨备用；
（3）取氧化石墨烯、玄武岩纤维投入余量的多巴胺溶液中，搅拌混合均匀后静置36-48h，处理结束后过滤，过滤物投入水合肼中浸泡反应10-15h，反应结束后过滤，产物经水洗后干燥，得负载石墨烯的玄武岩纤维备用；
（4）将表面改性的天然鳞片石墨、负载石墨烯的玄武岩纤维与其它剩余物料初混后球磨2-3h后干燥处理，完全干燥后物料在280-345MPa压力下经全自动压机带线一次成型，随后坯体真空高温烧结处理，即得所述的碳刷材料。
所述的步骤（4）中坯体真空高温烧结条件为：真空度：5-15Pa，烧结温度为850-930℃，压强为10-15MPa，烧结时间为40-60min。
本发明制备了一种石墨烯-玄武岩纤维增强的铜基石墨电机碳刷，这种碳刷材料以天然鳞片石墨作为碳材料，在其表面沉积聚多巴胺膜层以改善其表面性能，提高其与其它原料的结合性和分散性，获得致密度更高的坯体，并掺入了纳米铜、锌合金粉等原料，提升了材料的综合力学性能，加入的石墨烯-玄武岩纤维增强效果显著，不仅提高了各原料间的把持力，防止摩擦过程中微粒脱落而加速磨损，此外，本发明以钇溶胶作为粘接剂，具有良好的粘接力，烧结后无残炭，对体系无不良影响，最终制备的碳刷材料较之传统的金属石墨碳刷兼具优良的硬度和耐磨损性，电性能良好，不易打火，使用寿命更长。
具体实施方式
一种石墨烯玄武岩纤维增强的铜基石墨电机碳刷，该碳刷材料由以下重量份的原料制成：碳纳米微球1、天然鳞片石墨粉12、纳米铜粉3、铜粉30、锌合金粉1、氧化石墨烯0.3、玄武岩纤维1、钇溶胶30、Tris-HCl缓冲溶液适量、盐酸多巴胺2、去离子水50、水合肼适量。
其中玄武岩纤维直径≤0.5μm，长度≤0.1μm。
该碳刷材料的制备方法包括以下步骤：
（1）先取去离子水投入反应容器中，接着加入盐酸多巴胺，搅拌至其完全溶解后滴加Tris-HCl缓冲溶液，调节体系pH值为8，得多巴胺溶液备用；
（2）取30重量份的多巴胺溶液，加入天然鳞片石墨粉，搅拌混合均匀后静置36h，处理结束后过滤，过滤物经水洗后干燥，得表面改性的天然鳞片石墨备用；
（3）取氧化石墨烯、玄武岩纤维投入余量的多巴胺溶液中，搅拌混合均匀后静置36h，处理结束后过滤，过滤物投入水合肼中浸泡反应10h，反应结束后过滤，产物经水洗后干燥，得负载石墨烯的玄武岩纤维备用；
（4）将表面改性的天然鳞片石墨、负载石墨烯的玄武岩纤维与其它剩余物料初混后球磨2h后干燥处理，完全干燥后物料在280MPa压力下经全自动压机带线一次成型，随后坯体真空高温烧结处理，即得所述的碳刷材料。
其中步骤（4）中坯体真空高温烧结条件为：真空度：8Pa，烧结温度为885℃，压强为12MPa，烧结时间为45min。
制成的碳刷材料根据相关标准进行性能测试，测试结果为：
肖式硬度：23.2；弯曲强度：20.8MPa；摩擦系数：0.12；电阻率：0.18μΩ.m。

Claims (4)

1.一种石墨烯-玄武岩纤维增强的铜基石墨电机碳刷，其特征在于，该碳刷材料由以下重量份的原料制成：碳纳米微球1-2、天然鳞片石墨粉12-20、纳米铜粉3-5、铜粉30-40、锌合金粉1-2、氧化石墨烯0.3-0.5、玄武岩纤维1-2、钇溶胶30-40、Tris-HCl缓冲溶液适量、盐酸多巴胺2-3、去离子水50-60、水合肼适量。
2.如权利要求1所述的一种石墨烯-玄武岩纤维增强的铜基石墨电机碳刷，其特征在于，所述的玄武岩纤维直径≤0.5μm，长度≤0.1μm。
3.如权利要求1所述的一种石墨烯-玄武岩纤维增强的铜基石墨电机碳刷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）先取去离子水投入反应容器中，接着加入盐酸多巴胺，搅拌至其完全溶解后滴加Tris-HCl缓冲溶液，调节体系pH值为8-8.5，得多巴胺溶液备用；
（2）取30-40重量份的多巴胺溶液，加入天然鳞片石墨粉，搅拌混合均匀后静置36-48h，处理结束后过滤，过滤物经水洗后干燥，得表面改性的天然鳞片石墨备用；
（3）取氧化石墨烯、玄武岩纤维投入余量的多巴胺溶液中，搅拌混合均匀后静置36-48h，处理结束后过滤，过滤物投入水合肼中浸泡反应10-15h，反应结束后过滤，产物经水洗后干燥，得负载石墨烯的玄武岩纤维备用；
（4）将表面改性的天然鳞片石墨、负载石墨烯的玄武岩纤维与其它剩余物料初混后球磨2-3h后干燥处理，完全干燥后物料在280-345MPa压力下经全自动压机带线一次成型，随后坯体真空高温烧结处理，即得所述的碳刷材料。
4.如权利要求3所述的一种石墨烯-玄武岩纤维增强的铜基石墨电机碳刷的制备方法，其特征在于，所述的步骤（4）中坯体真空高温烧结条件为：真空度：5-15Pa，烧结温度为850-930℃，压强为10-15MPa，烧结时间为40-60min。
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