CN106848792A - 一种石墨碳刷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合材料制备领域，尤其涉及一种石墨碳刷及其石墨碳刷的制备方法，该石墨碳刷由下列重量份的原料制成：纳米石墨粉 10‑14份、鳞片石墨粉 30‑45份、膨胀石墨15‑24份、纳米二氧化硅2‑3份、铜粉 20‑35份；其中膨胀石墨是将纳米石墨粉10‑15份置于浓度为96%的硫酸7‑9份中搅拌均匀，用水冲洗至pH6‑7，烘干至水分5‑10％，烘干后的石墨粉在800℃高温下膨胀，制得膨胀石墨，解决了新型石墨碳刷制作所使用的碳纳米管合成困难，价格昂贵，不适于工业化生产的问题。

Description

一种石墨碳刷及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料制备领域，尤其涉及一种石墨碳刷及其石墨碳刷的制备方法。
背景技术
碳刷也叫电刷，作为一种滑动接触件，在许多电气设备中得到广泛的应用。碳刷产品的应用材质主要有石墨，浸脂石墨，金属(含铜，银)石墨。碳刷通常是采用天然石墨粉、人造石墨粉、导电炭黑等多种原料混合压制而成。
以往技术生产碳刷的工艺是采用含碳量达95％或99％的石墨粉与沥青或酚醛树脂按比例经混合、粉碎、筛分制成胶结石墨粉，然后同铜粉、锡粉及铅粉等经混合、压制、烧结而成。其碳刷的主要成分为石墨以及金属材料，尽管石墨具有良好的耐磨性，但是在使用过程中，仍然存在易磨损的问题，难以克服。
授权公告号CN 103701004 B的发明专利公开了一种碳刷及其制备方法，该碳刷由以下质量分数的组分制备而成：20～90wt％碳纳米管、0～60wt％活性炭、2～10wt％含钛纳米化合物、和5～20wt％金属粉末或其氧化物粉末或其盐类的粉末。该碳刷的制备方法为：将碳纳米管、活性炭、含钛纳米化合物、金属粉末或其氧化物粉末或其盐类的粉末混合均匀，经成型后在高温高压下烧结而成。该发明制备碳刷材料的主要成分为具有良好导电性的含钛化合物、碳纳米管、石墨以及少量铁、钴、镍金属，其中含钛化合物具有良好的耐磨性，石墨具有小的摩擦系数，碳纳米管赋予碳刷良好的韧性。该发明制备的碳刷材料具有优良的导电性、耐磨性和韧性。但是该碳刷制备所使用碳纳米管的合成比较苛刻，产量比较小，且价格比较昂贵。
发明内容
本发明为了解决石墨碳刷制作所使用的碳纳米管合成困难，价格昂贵，不适于工业化生产的问题，提供一种石墨碳刷及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明的基础方案提供一种石墨碳刷，由下列重量份的原料制成：
纳米石墨粉10-14份、鳞片石墨粉30-45份、膨胀石墨15-24份、纳米二氧化硅2-3份、铜粉20-35份；
其中膨胀石墨是将纳米石墨粉10-15份置于浓度为96％的硫酸7-9份中搅拌均匀，用水冲洗至pH6-7，烘干至水分5-10％，烘干后的石墨粉在800℃高温下膨胀，制得膨胀石墨。
本基础方案的有益效果在于：1、膨胀石墨是一种疏松多孔的蠕虫状物质，蠕虫状膨胀石墨的吸附能力强，且蠕虫状膨胀石墨之间可以自行嵌合，增强了膨胀石墨的柔软性、回弹性和可塑性。石墨碳刷中加入膨胀石墨能够使得制备的石墨碳刷韧性增强，进而使得石墨碳刷的耐磨性增强。2、通过将纳米石墨粉置于96％的硫酸中搅拌均匀，且不断用水冲洗，烘干，通过化学的方法将石墨层之间插入硫酸根，使得石墨层之间的范德华力减弱，石墨的膨胀效果更佳。3、鳞片石墨粉是一种简单易得的石墨粉，常用在碳刷的制备中，但是鳞片石墨粉的自润滑性较差，因此加入适量的纳米石墨粉能够弥补鳞片石墨粉的润滑性。4、纳米二氧化硅能够与鳞片石墨粉、纳米石墨粉均产生接枝和键合作用，使材料的韧性增加，抗拉强度和抗冲击强度提高，进而使得制备的石墨碳刷性能更佳。因此，本配方制备的石墨碳刷耐磨性、韧性和润滑性均得到了提高，且该配方的材质简单易得，工艺简单，适合工业化生产。
方案二：此为基础方案的优选，纳米石墨粉的粒度在100目-160目之间。有益效果：目数在100目-160目之间的纳米石墨粉颗粒比较小，具有很好的自润滑性，将纳米石墨粉均匀分散在石墨碳刷的基体材料中，能够增强基体材料的润滑性。
方案三：此为方案二的优选，铜粉是含铜量达99.5％以上、松装比为0.9g/cm3-1.2g/cm3的电解铜粉。有益效果：松装比是指粉末在规定条件下自由充满标准容器后所测得的堆积密度，即粉末松散填装时单位体积的质量，是粉末的一种工艺性能。由于铜粉的松装比比较大，使得一定重量的铜粉体积尽可能大，这样在确定重量配方所得到的材料结构中，铜粉所形成的网络结构也尽可能的发达。当材料的铜相结构连续发达时，材料的导电性能相对较好。
本发明的第二基础方案提供一种石墨碳刷的制备方法，包括如下步骤：
A、将纳米石墨粉10-15份置于浓度为96％的硫酸溶液7-9份中充分搅拌，将酸化后的纳米石墨粉用水冲洗至pH6-7，冲洗后的石墨粉烘干至水分5-10％，烘干后的石墨粉置于膨胀炉中膨胀，膨胀温度为800℃，制得膨胀石墨；
B、将步骤A制备的膨胀石墨15-24份、纳米石墨粉10-14份、鳞片石墨粉30-45份、纳米二氧化硅2-3份、铜粉20-35份置于超声波分散设备中充分分散，制得混合物；
C、将步骤B的混合物置于压制机中压制成型，制得压制片；
D、将步骤C制备的压制片置于真空热压烧结炉中烧结，制得碳刷材料；
E、将步骤D制备的碳刷材料打孔、磨面、埋线和磨弧制成碳刷。
有益效果：步骤A对纳米石墨粉进行酸化、水洗、烘干，使得纳米石墨层之间的范德华力减弱，使得纳米石墨粉的膨胀过程变的更容易，纳米石墨粉的膨胀效果更好。步骤B采用超声波分散设备对配合后的混合物料进行超声波分散，使得团聚的纳米石墨粉在强大的声场作用下不断分散，且超声波的空化作用还能进一步改善超声波分散设备中液体介质和固体介质之间的传质过程，从而达到对鳞片石墨粉进行表面处理的作用，使得鳞片石墨的表面变的圆润。步骤C将超声处理后的混合物在压制机中压制成型，使得膨胀石墨之间的范德华力增大，分子间距离减小，压制片的致密性提高。步骤D将压制片在真空烧结炉中进一步烧结，使得压制片中的杂质进一步去除，使得制备的碳刷材料致密性更高。
方案五：此为方案四的优选，步骤C的压制成型工序采用全自动压机带线一次成型，压制成型压力为260MPa-300MPa。有益效果：全自动压机带线一次成型的压制机能够使得压制片的压制效果更好。
方案六：此为方案五的优选，步骤D中烧结炉的真空度为10-50Pa，烧结的温度为1000-1200℃，烧结压强为20-40Mpa，烧结时间为10-60min。有益效果：烧结炉的真空度为10-50Pa，温度为1000-1200℃，压强为20-40Mpa，时间为10-60min，能够使得碳刷材料的杂质去除更加彻底，烧结效果更高。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
实施例一：
石墨碳刷的制备方法如下：
A、将纳米石墨粉1000g置于浓度为96％的硫酸溶液700g中充分搅拌，将酸化后的纳米石墨粉用水冲洗至pH小于7，冲洗后的石墨粉烘干至水分5％，烘干后的石墨粉置于800℃的膨胀炉中高温膨胀，制得膨胀石墨。
B、将步骤A制备的膨胀石墨选取1500g、纳米石墨粉1000g、鳞片石墨粉3000g、纳米二氧化硅200g、铜粉2000g置于超声波分散设备中充分分散，制得混合物。
C、将步骤B的混合物置于全自动压机带线一次压制成型，制得压制片，其中压制成型压力为260MPa。
D、将步骤C制备的压制片置于真空热压烧结炉中烧结，制得碳刷材料，其中烧结炉的真空度为10Pa，烧结的温度为1000℃，烧结压强为20Mpa，烧结时间为10min。
E、将步骤D制备的碳刷材料打孔、磨面、埋线和磨弧制成碳刷。
实施例二：
本实施例与实施例一的区别仅在于，步骤A将纳米石墨粉1300g置于硫酸溶液800g中搅拌均匀，冲洗后的石墨粉烘干至水分8％。步骤B将步骤A制备的膨胀石墨2000g、纳米石墨粉1200g、鳞片石墨粉4000g、铜粉3000g置于超声波分散设备中充分分散。步骤C压制成型压力为280MPa。步骤D烧结炉的真空度为30Pa，烧结的温度为1100℃，烧结压强为30Mpa，烧结时间为30min。
实施例三：
本实施例与实施例一的区别仅在于，步骤A将纳米石墨粉1500g置于硫酸溶液900g中搅拌均匀，冲洗后的石墨粉烘干至水分10％。步骤B将步骤A制备的膨胀石墨2400g、纳米石墨粉1400g、鳞片石墨粉4500g、铜粉3500g置于超声波分散设备中充分分散。步骤C压制成型压力为300MPa。步骤D烧结炉的真空度为50Pa，烧结的温度为1200℃，烧结压强为40Mpa，烧结时间为60min。
对比例：
对比例提供一种传统加工工艺制备的石墨碳刷，即将铜粉3000g与鳞片石墨粉6500g均匀混合后放置至模具中，用压力机将混合物压制成型，将压制成型后的混合物置于烧结炉中烧结，最后对烧结成型的石墨碳刷进行精加工。
将实施例一至三与对比例进行物料性能测试，其中电阻率的测试按照JB/T8133.2-1999，体积密度的测试按照JB/T8133.14-1999，洛氏硬度的测试按照JB/T8133.3-1999，抗折强度的测试按照JB/T8133.7-1999，测试结果见表一：
表一：
通过实施例一至三与对比例的对比可以看到，通过该石墨碳刷配方以及制备方法制备的石墨碳刷电阻率有所降低，说明通过该制备方法制备的石墨碳刷导电性能有所提高；通过该制备方法制备的石墨碳刷洛氏硬度和抗折强度也有所降低，是由于膨胀石墨的填充使得石墨碳刷的韧性得到了提高，石墨碳刷韧性的提高能够使得石墨碳刷的耐磨性提高。因此，通过该制备方法制备的石墨碳刷具有良好的耐磨性、韧性和导电性，是一种性能更优异的石墨碳刷。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种石墨碳刷，其特征在于，由下列重量份的原料制成：
纳米石墨粉 10-14份、鳞片石墨粉 30-45份、膨胀石墨15-24份、纳米二氧化硅2-3份、铜粉 20-35份；
其中膨胀石墨是将纳米石墨粉10-15份置于浓度为96%的硫酸7-9份中搅拌均匀，用水冲洗至pH6-7，烘干至水分5-10％，烘干后的石墨粉在800℃高温下膨胀，制得膨胀石墨。
2.如权利要求1所述的石墨碳刷，其特征在于，纳米石墨粉的粒度在100 -160目之间。
3.如权利要求2所述的石墨碳刷，其特征在于，铜粉是含铜量达99.5％以上、松装比为0.9g/cm3-1.2g/cm3 的电解铜粉。
4.如权利要求1所述的石墨碳刷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、将纳米石墨粉10-15份置于浓度为96%的硫酸溶液7-9份中充分搅拌，将酸化后的纳米石墨粉用水冲洗至pH6-7，冲洗后的石墨粉烘干至水分5-10％，烘干后的石墨粉置于膨胀炉中膨胀，膨胀温度为800℃，制得膨胀石墨；
B、将步骤A制备的膨胀石墨15-24份、纳米石墨粉10-14份、鳞片石墨粉30-45份、铜粉20-35份置于超声波分散设备中充分分散，制得混合物；
C、将步骤B制备的混合物置于压制机中压制成型，制得压制片；
D、将步骤C制备的压制片置于真空热压烧结炉中烧结，制得碳刷材料；
E、将步骤D制备的碳刷材料打孔、磨面、埋线和磨弧制成碳刷。
5.如权利要求4所述的石墨碳刷的制备方法，其特征在于，步骤C的压制成型工序采用全自动压机带线一次成型，压制成型压力为260MPa-300MPa。
6.如权利要求5所述的石墨碳刷的制备方法，其特征在于，步骤D中烧结炉的真空度为10-50Pa，烧结的温度为1000-1200℃，烧结压强为20-40Mpa，烧结时间为10-60min。
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