CN108512006A - 一种铜-石墨-石墨烯电刷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铜‑石墨‑石墨烯电刷及其制备方法，所述铜‑石墨‑石墨烯电刷包括如下组分：铜粉，质量分数为35～80％；石墨粉，质量分数为10～60％；石墨烯粉体，质量分数为0.5～30％；热固性树脂，质量分数为0～20％。所述制备方法按照石墨烯浆料——石墨烯‑铜复合粉体——石墨烯‑铜‑石墨第一复合粉体——石墨烯‑铜‑石墨第二复合粉体——铜‑石墨‑石墨烯电刷的顺序依次进行。本发明采用的制备方法成本低，操作简单，可实现自动化连续稳定大规模生产。且本发明制备所得的铜‑石墨‑石墨烯电刷电阻率低，电火花小，摩擦系数低，耐磨性高，相对于传统的电刷产品，其产品的电气性能、机械性能和寿命均得到了大幅度的提高。

Description

一种铜-石墨-石墨烯电刷及其制备方法
技术领域
本发明涉及电刷材料及制备的技术领域，具体涉及一种铜-石墨-石墨烯电刷及其制备方法。
背景技术
电刷是与运动件滑动接触而形成电连接的一种导电部件，其用于市面上绝大多数的直流电机和交流电机中，是电机能够正常工作的关键部件。电刷通常一边与换向器或滑块相连，另一边与导电弹簧片相连，作为导入导出电流的滑动接触体，因此，电刷不仅应有优良的电气性能而且还应该有良好的机械性能。
现阶段，我国所采用的中低档电刷技术含量低、寿命短，在电动工具电机中，如石材切割机、电动扳手、电动锯条、电动磨砂机、电风扇、电子启动器等所采用的电刷一般均存在电阻率较高、电火花大、摩擦系数大等不足，长期使用该种电刷会导致电机受损。而我国所采用的高档电刷多为国外进口的电刷产品，例如300MW及以上发动机、吸尘器、滚筒式洗衣机等电机中大量采用的均为国外进口的电刷产品。
石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体材料，具有超大的比表面积，载流子迁移率达到15000cm2(V·S)，热导率高达5150W(m·K)，其不但是最薄的材料，也是目前发现的最强韧的材料，且其拉升幅度能达到其自身尺寸的20％，因此是一种非常优异的材料。为了获得良好的导电性和耐磨性，现有技术公开了一种含石墨烯的石墨电刷，其采用沥青基石墨烯，制备过程中需加热到3300℃，设备成本和能耗均很高。现有技术还公开了一种含石墨烯的自均质耐磨树脂型碳刷及其制备方法，所采用的原料是磺化氧化石墨烯，其性质与石墨烯不同，所制备的电刷电阻率高。
综上所述，研发出一种电阻率低、电火花小、摩擦系数低的电刷产品是国内电刷市场急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜-石墨-石墨烯电刷，用于解决国内现阶段所采用的电刷电阻率高、电火花大、摩擦系数大、不具有较好的电气性能和较好的机械性能从而在电机中使用时效果差和寿命短甚至会导致电机受损的问题。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种铜-石墨-石墨烯电刷，其特征在于：包括如下组分：铜粉，其质量分数为35～80％；石墨粉，其质量分数为10～60％；石墨烯粉体，其质量分数为0.5～30％；热固性树脂，其质量分数为0～20％。
优选地，还包括添加剂，所述添加剂的质量分数为0～2.44％，所述添加剂为碳化硅、氮化硅、氮化硼、二氧化钛、铬、锰、镍、硅、银中的一种或多种。
优选地，所述石墨粉的质量分数为14～47.62％；所述热固性树脂的质量分数为4.76～20％；所述添加剂为氮化硼，所述氮化硼的质量分数为0.5～2.44％。
优选地，所述铜粉的质量分数为38～68％；所述石墨粉的质量分数为24～47％；所述石墨烯粉体的质量分数为4-6％；所述热固性树脂的质量分数为0～10％。
相比于现有技术，本发明铜-石墨-石墨烯电刷具有以下优势：本发明将石墨烯作为铜基复合材料的增强体，全方位提高了国内原电刷产品的性能，从而使得本发明中的铜-石墨-石墨烯电刷既具有优良的电气性能还具有良好的机械性能，其电阻率低，电火花小，摩擦系数低，耐磨性高，相对于传统的电刷产品，其产品性能、使用效果和寿命均得到了大幅度的提高。
本发明的另一目的在于提出一种铜-石墨-石墨烯电刷的制备方法，以制备上述技术方案中的铜-石墨-石墨烯电刷使其能达到电阻率低、电火花小、摩擦系数低、机械性能好的优点。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种铜-石墨-石墨烯电刷的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1：石墨烯粉体分散在分散剂中形成石墨烯浆料；
步骤S2：石墨烯浆料和铜粉充分混合并干燥，形成石墨烯-铜复合粉体；
步骤S3：石墨烯-铜复合粉体和石墨粉、热固性树脂粉体混合研磨，以制得石墨烯-铜-石墨第一复合粉体，所述石墨烯-铜-石墨第一复合粉体中，铜粉的质量分数为35～80％，石墨粉的质量分数为10～60％；石墨烯粉体的质量分数为0.5～30％，热固性树脂的质量分数为0～20％；
步骤S4：在保护气体的环境下，加热所述石墨烯-铜-石墨第一复合粉体至温度为50～200℃，保温1～12h后使其随炉冷却，制得石墨烯-铜-石墨第二复合粉体；
步骤S5：将所述石墨烯-铜-石墨第二复合粉体研磨后筛分，并经压型、烧结后形成产品铜-石墨-石墨烯电刷。
优选地，所述铜粉为100～1000目的电解铜粉或者球形铜粉；所述石墨粉为100～800目的鳞片石墨粉；所述石墨烯粉体为80～1000目的石墨烯粉体。
优选地，所述步骤S1中的分散剂为N，N-二甲基乙酰胺、乙二醇碳酸酯、乙酸乙酯、四氢呋喃中的一种或多种，所述石墨烯浆料中石墨烯与分散剂的比例为1g∶200～1000ml。
优选地，所述步骤S2中的干燥方式为采用冷冻干燥的方式将混合后的石墨烯浆料和铜粉蒸干，所述冷冻干燥的温度为-70～-30℃，时间为1～24h。
优选地，步骤S3中，石墨烯-铜复合粉体、石墨粉和热固性树脂粉体的混合研磨操作为将所述石墨烯-铜复合粉体和石墨粉、热固性树脂粉体在转速为200～400r/min的行星球磨机中研磨1～24h。
优选地，所述步骤S5中，筛分操作为将石墨烯-铜-石墨第二复合粉体过300～500目筛；压型操作中的压力为500～800MPa；烧结操作中的温度为500～900℃，烧结操作中的保温时间为2～6h，保温气体为氮气、氩气、氢气或氩氢气中的一种或多种。
优选地，所述步骤S3中还有添加剂粉体，所述石墨烯-铜复合粉体和石墨粉、热固性树脂粉体以及添加剂粉体混合研磨，以制得石墨烯-铜-石墨-树脂-添加剂复合粉体，所述石墨烯-铜-石墨第一复合粉体中，铜粉的质量分数为35～80％，石墨粉的质量分数为10～60％；石墨烯粉体的质量分数为0.5～30％，热固性树脂的质量分数为0～20％，添加剂的质量分数为0～2.44％；
所述添加剂为碳化硅、氮化硅、氮化硼、二氧化钛、铬、锰、镍、硅、银中的一种或多种。
相对于现有技术，本发明铜-石墨-石墨烯电刷的制备方法具有以下优势：本发明所采用的方法耗能低，过程简单，采用多个机械设备可实现自动化连续稳定大规模生产，成产成本低。且采用本发明所述的方法制备得到的电刷在降低电刷电阻率的同时还提高了其耐磨性能，大大提高了电刷的电气性能和机械性能，延长了电刷的使用寿命，能满足各产品中对电刷的要求，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1示出了本发明实施例一中所制备的铜-石墨-石墨烯电刷产品的截面SEM图；
图2示出了本发明实施例一中所制备的铜-石墨-石墨烯电刷产品的Raman光谱图。
具体实施方式
以下结合附图1和图2以及给出的实施例，进一步说明本发明的铜-石墨-石墨烯电刷及其制备方法的具体实施方式。本发明的铜-石墨-石墨烯电刷及其制备方法不限于以下实施例的描述。
本实施例按照下述步骤制备铜-石墨-石墨烯电刷，具体如下：
步骤S1：石墨烯粉体分散在分散剂中形成石墨烯浆料；
本步骤中所采用的分散剂为N，N-二甲基乙酰胺、乙二醇碳酸酯、乙酸乙酯、四氢呋喃中的一种或多种，石墨烯粉体采用超声波在分散器中进行分散，其中超声震荡的频率为20kHz～80kHz，分散时间为0.2～100h，所形成的石墨烯浆料中石墨烯与分散剂的比例为1g∶200～1000ml。
采用分散剂分散石墨烯粉体，有效解决了石墨烯比表面积大、密度小、易团聚、难以和其他金属粉体混合的难题。本实施例将石墨烯引入电刷材料中，由于石墨烯不仅具有超高的润滑性，而且其具有很低的电阻率和极高的热导率，因此能全方位提高现有电刷的性能。
优选地，本实施例中的石墨烯粉体是以天然石墨或人造石墨为原料，采用石墨物理剥离法来制得。
目前，石墨烯的制备方法主要分为化学法和物理法，化学法包括热膨胀剥离法、化学气相沉积法、氧化石墨还原法、电化学法、石墨插层法等，物理法包括机械剥离法、取向附生法以及液相或气相直接剥离法等。石墨烯的物理制备方法通常是以廉价的石墨或膨胀石墨为原料来制备单层或多层石墨烯，采用物理法相对于化学法，原料更易得，操作相对更简单，合成的石墨烯纯度高、缺陷少。其中，物理法中的取向附生法的原理是通过晶膜生长来制备单层石墨烯薄片，采用该种方法生产的石墨烯薄片厚度不均匀，且在制取过程中石墨烯和基质之间的黏合会影响制得的石墨烯薄片的特性。而机械剥离法是直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剥离下来，是石墨烯制备过程中最为简单的一种方法，液相气相直接剥离法是指直接将石墨或膨胀石墨加在某种有机溶剂或水中，借助超声波、加热或气流的作用制备一定浓度的单层或多层石墨烯溶液。上述机械剥离法和液相气相直接剥离法均为物理剥离法，物理剥离法操作更为简单，且制得的石墨烯产品性能更为优异，因此本实施例中的石墨烯原料优选为通过石墨物理剥离法制得的石墨烯。
为了进一步利于后续步骤中各组成材料的均匀分散，优化本实施例后期成型电刷的各项性能，本实施例中所采用的石墨烯原料优选为80～1000目，层数为1～20层，单片尺寸为0.1～100um的石墨烯。
步骤S2：石墨烯浆料和铜粉充分混合并干燥，形成石墨烯-铜复合粉体。
具体地，本步骤中先使石墨烯浆料和铜粉在混料机中进行混合，持续时间为1～24h；然后采用冷冻干燥的方式将混合均匀的石墨烯浆料和铜粉蒸干，冷冻干燥温度控制为-70～-30℃，持续时间为1～24h。本实施例采用冷冻干燥的方式，避免了高温蒸干过程中铜粉的氧化。
基于铜具有较高的导热导电性能、较好的延展性以及机械性能，石墨烯具有超高的导电导热性能和优异的力学性能，因此本实施例将石墨烯作为铜基复合材料的增强体，以优化电刷的电气性能和机械性能。
优选地，本实施例中所采用的铜粉为100～1000目的电解铜粉或球形铜粉。电解铜是以粗铜作为阳极，纯铜作为阴极，通过电解提纯操作而使得铜离子向阴极移动，从而在阴极析出，称为电解铜，球形铜粉是以电解铜为原料经熔化后采用雾化法制备所得，电解铜粉和球形铜粉的质量均极高，应用在本实施例中减少了杂质对电刷各性能的影响。本实施例中所采用的铜粉规格为100～1000目，石墨烯粉体规格为80～1000目，利于两者在混合过程中的均匀性。
步骤S3：石墨烯-铜复合粉体和石墨粉、热固性树脂粉体混合研磨，以制得石墨烯-铜-石墨第一复合粉体，其中，上述石墨烯-铜-石墨第一复合粉体中，铜粉的质量分数为35～80％，石墨粉的质量分数为10～60％，石墨烯粉体的质量分数为0.5～30％，热固性树脂的质量分数为0～20％。在不添加热固性树脂的情况下，采用不同的烧结工艺也可使得铜-石墨-石墨烯电刷成型，且同样能保证电刷的强度和电气性能。
其中，原料中加入铜粉能保证电刷的导电性，原料中加入石墨能增强电刷的耐磨性，但同时石墨的加入会降低电刷的导电性，而石墨烯在保证电刷耐磨性的同时还能提高电刷的导电性，同时其还能提高整个电刷的强度。电刷原料中铜粉的质量分数控制为35～80％，若电刷原料中铜粉的质量分数过高，则会造成电刷的耐磨程度不足，即电刷的机械性能差，若电刷原料中铜粉的质量分数过低，则会影响电刷的导电率，即电刷的电气性能差，采用本实施例中的原料组分来制备铜-石墨-石墨烯电刷，能保证铜-石墨-石墨烯电刷优异的机械性能和电气性能，满足不同型号的电机对电刷的要求。
优选地，石墨烯-铜-石墨第一复合粉体中，石墨粉的质量分数为14～47.62％，热固性树脂的质量分数为4.76～20％。更为优选地，石墨烯-铜-石墨第一复合粉体中，铜粉的质量分数为38～68％；石墨粉的质量分数为24～47％；石墨烯粉体的质量分数为4～6％；热固性树脂的质量分数为0～10％。
优选的原料组分方案保证了电刷的综合性能和使用寿命，使得电刷的导电性和耐磨性能相互匹配。本步骤中的石墨粉优选为100～800目的鳞片石墨粉，鳞片石墨粉呈层状结构，具有良好的耐高温、导电、导热、润滑、可塑及耐酸碱等性能。
热固性树脂是指树脂加热后产生化学变化，逐渐硬化成型，再受热也不软化，也不能溶解的一种树脂，其添加是作为电刷材料的粘合剂，以便于后期电刷的成型，本实施例中所采用的热固性树脂可为酚醛树脂、脲醛树脂、聚酰亚胺树脂中的一种或多种。
具体地，本步骤中，石墨烯-铜复合粉体、石墨粉和热固性树脂粉体的混合研磨操作为将石墨烯-铜复合粉体和石墨粉、热固性树脂粉体在转速为200～400r/min的行星球磨机中混合研磨1～24h，从而确保所形成的石墨烯-铜-石墨第一复合粉体中各组分均处于均匀分布的状态。
步骤S4：在保护气体的环境下，加热石墨烯-铜-石墨第一复合粉体至温度为50～200℃，保温1～12h后使其随炉冷却，制得石墨烯-铜-石墨第二复合粉体。
该步骤为应力退火步骤，可消除电刷在制备过程中的组织缺陷以提高电刷的机械性能。该步骤中所采用的保护气体为氮气、惰性气体或还原性气体。具体可为为氮气、氩气、氢气或氩氢气中的一种或多种，从而能防止复合粉体在加热的条件下铜产生氧化，并且同时该步骤中的还原性保护气体还能对粉体进行还原。步骤S5：将石墨烯-铜-石墨第二复合粉体研磨筛分，并经压型、烧结后形成产品铜-石墨-石墨烯电刷。
具体地，本步骤中，首先对得到的石墨烯-铜-石墨第二复合粉体进行研磨，之后，采用300～500目筛对研磨后的粉料进行筛分，所得到的合格粉料在压力为500～800MPa的环境下在模具中压制成型，之后在500～900℃的环境下进行烧结，烧结操作中达到设定温度后保温2～6h，冷却即可得最终产品铜-石墨-石墨烯电刷。优选地，在烧结和保温的步骤中，为了避免复合粉体中的铜粉产生氧化，依然选用保护气体对铜粉实现保护。
当然，为了提高铜-石墨-石墨烯电刷的各种性能，还可在步骤S3中添加有适当含量的添加剂粉体，本实施例中所采用的添加剂可为碳化硅、氮化硅、氮化硼、二氧化钛、铬、锰、镍、硅、银中的一种或多种。采用添加剂为碳化硅、氮化硅、氮化硼或二氧化钛，向电刷中引入了硬质相颗粒，从而能防止电刷中大量的氧化物粘附在整流器上影响电刷的正常工作，采用添加剂为铬、锰、镍或硅可有效提高电刷的强度和寿命，采用添加剂为银能提高电刷的抗氧化性能和导电率。将石墨烯-铜复合粉体和石墨粉、热固性树脂粉体以及添加剂粉体混合研磨，以制得石墨烯-铜-石墨-添加剂复合粉体，并按照步骤S4～S5生产铜-石墨-石墨烯电刷。为了确保本实施例中所生产的铜-石墨-石墨烯电刷的各性能，添加剂的质量分数控制在2.44％以内。优选地，所述添加剂为氮化硼，所述氮化硼的质量分数为0.5～2.44％。0.5～2.44％氮化硼的添加能防止氧化物粘附在整流器上的同时还不会降低电刷的导电率。
本实施例中铜-石墨-石墨烯电刷的制备方法耗能低，过程简单，采用多个机械设备可实现自动化连续稳定大规模生产，成产成本低，具有广阔的市场应用前景。
经由上述步骤制备所得的铜-石墨-石墨烯电刷中，各组成如下：铜粉，质量分数为35～80％，石墨粉，质量分数10～60％，石墨烯粉体，质量分数为0.5～30％，热固性树脂，质量分数为0～20％，添加剂，质量分数为0～2.44％。
本实施例所制备得到的铜-石墨-石墨烯电刷采用石墨烯作为铜基复合材料的增强体，改善了现有的铜-石墨电刷的导电性、耐磨性、电压降和火花等级，本实施例中的铜-石墨-石墨烯电刷电气性能优异、高抗磨、寿命长，使用效果非常好。
下面通过实施例一～实施例三对本发明中的铜-石墨-石墨烯电刷及其制备方法作更具体的说明。
实施例一
步骤S1：原料石墨烯粉体为机械剥离法制取的石墨烯经由加工所得，石墨烯层数为10层，单片尺寸为0.1um，所制得的石墨烯粉体的规格为500目，将该1g原料石墨烯粉体采用震荡频率为20kHz的超声波，使其分散在200ml的乙酸乙酯中，形成石墨烯浆料。
步骤S2：将步骤S1中的石墨烯浆料加入到混料机中，并向混料机中加入200目的电解铜粉10g，混料机持续工作24h，使得石墨烯浆料和铜粉能混合均匀。从混料机中输出的混合物料在-40℃的环境下采用冷冻干燥的方式使其蒸干，共持续10h，形成石墨烯-铜复合粉体。
步骤S3：将步骤S2中的石墨烯-铜复合粉体输入行星球磨机中，并向行星球磨机中继续添加150目的鳞片石墨粉9g和酚醛树脂粉体1g。调节行星球磨机的转速为400r/min，使得行星球磨机中的物料共混合研磨8h，制得石墨烯-铜-石墨第一复合粉体。
步骤S4：使石墨烯-铜-石墨第一复合粉体在氮气的保护下被加热至90℃，并保温8h后使其随加热炉冷却，制得石墨烯-铜-石墨第二复合粉体。
步骤S5：对石墨烯-铜-石墨第二复合粉体研磨后进行筛分，筛分操作中所采用的筛子为500目，筛分所得的合格粉料在压力为500MPa的环境下，使其在模具中压制成型，之后在500℃的环境下进行烧结，并保温6h，烧结保温过程使物料均处于氮气的气氛中，冷却后，即得产品铜-石墨-石墨烯电刷。
图1为本实施例所制备的铜-石墨-石墨烯电刷产品的截面SEM图，由图1可知，本实施例所制备的铜-石墨-石墨烯电刷产品各组分均匀分布且不存在显微缺陷。
图2为本实施例所制备的铜-石墨-石墨烯电刷产品的Raman光谱图，由图2可知，本实施例所制备的铜-石墨-石墨烯电刷产品中存在高质量的石墨烯。
表1中示出了本实施例所制得的产品铜-石墨-石墨烯电刷经检测的各性能，表1中还示出了现有产品铜-石墨电刷(J201)的各性能。
表1
本实施例中所制得的产品铜-石墨-石墨烯电刷原料为200目的铜粉10g，150目鳞片石墨粉9g，500目石墨烯粉体1g和1g的酚醛树脂。本实施例所制得的产品铜-石墨-石墨烯电刷中，铜粉的质量分数为47.62％，石墨粉的质量分数为42.86％，石墨烯粉体的质量分数为4.76％，树脂的质量分数为4.76％，添加剂为0％。现有的铜-石墨电刷(J201)，其原料为200目的铜粉10g，150目的鳞片石墨粉10g和1.5g的沥青。沥青在铜-石墨电刷(J201)中与树脂作用相同，均起结合剂的作用，不影响电刷的性能，现有的铜-石墨电刷(J201)与本实施例产品铜-石墨-石墨烯电刷原料相似，只是在本实施例中将现有的铜-石墨电刷(J201)中的1g石墨粉原料采用石墨烯来代替。
由表1中检测数据对比可知，本实施例所制得的铜-石墨-石墨烯电刷相较于现有的铜-石墨电刷(J201)电刷总压降低，50小时磨损量少，体积密度大，电阻率小，抗折强度高，洛氏硬度高，电火花等级低，因此，本实施例中铜-石墨-石墨烯电刷相较于现有的铜-石墨电刷(J201)，其电气性能和机械性能均得到了较大的提高。
实施例二
步骤S1：原料石墨烯粉体为机械剥离法制取的石墨烯经由加工所得，石墨烯层数为1层，单片尺寸为100um，所制得的石墨烯粉体的规格为500目，将该1g原料石墨烯粉体采用震荡频率为80kHz的超声波，使其分散在200ml的N，N-二甲基乙酰胺中，形成石墨烯浆料。
步骤S2：将步骤S1中的石墨烯浆料加入到混料机中，并向混料机中加入300目的电解铜粉14g，混料机持续工作10h，使得石墨烯浆料和铜粉能混合均匀。从混料机中输出的混合物料在-50℃的环境下采用冷冻干燥的方式使其蒸干，共持续24h，形成石墨烯-铜复合粉体。
步骤S3：将步骤S2中的石墨烯-铜复合粉体输入行星球磨机中，并向行星球磨机中继续添加300目的鳞片石墨粉5g、200目的碳化硅和200目的氮化硼共0.5g。调节行星球磨机的转速为300r/min，使得行星球磨机中的物料共混合研磨10h，制得石墨烯-铜-石墨第一复合粉体。
步骤S4：使石墨烯-铜-石墨第一复合粉体在氩氢气的保护下被加热至90℃，并保温6h后使其随加热炉冷却，制得石墨烯-铜-石墨第二复合粉体。
步骤S5：对石墨烯-铜-石墨第二复合粉体研磨后进行筛分，筛分操作中所采用的筛子为300目，筛分所得的合格粉料在压力为800MPa的环境下，使其在模具中压制成型，之后在900℃的环境下进行烧结，并保温2h，烧结保温过程使物料均处于氩氢气的气氛中，冷却后，即得产品铜-石墨-石墨烯电刷。
表2中示出了本实施例所制得的产品铜-石墨-石墨烯电刷经检测的各性能，表2中还示出了现有产品铜-石墨电刷(J204)的各性能。
表2
本实施例中所制得的产品铜-石墨-石墨烯电刷原料为300目的铜粉14g，300目鳞片石墨粉5g，500目石墨烯粉体1g，200目的碳化硅和200目的氮化硼共0.5g。本实施例所制得的产品铜-石墨-石墨烯电刷中，铜粉的质量分数为68.29％，石墨粉的质量分数为24.39％，石墨烯粉体的质量分数为4.88％，树脂的质量分数为0％，添加剂为2.44％。现有的铜-石墨电刷(J204)，其原料为300目的铜粉14g，300目的鳞片石墨粉6g和1g的沥青。现有的铜-石墨电刷(J204)与本实施例产品铜-石墨-石墨烯电刷原料相似，只是在本实施例中将现有的铜-石墨电刷(J204)中的1g石墨粉原料采用石墨烯来代替，并且在本实施例中还添加了1g的石墨粉以及少量的添加剂。
由表2中检测数据对比可知，本实施例所制得的铜-石墨-石墨烯电刷相较于现有的铜-石墨电刷(J204)电刷总压降低，50小时磨损量少，体积密度大，电阻率小，抗折强度高，洛氏硬度高，因此，本实施例中铜-石墨-石墨烯电刷相较于现有的铜-石墨电刷(J204)，其电气性能和机械性能均得到了较大的提高。
实施例三
步骤S1：原料石墨烯粉体为机械剥离法制取的石墨烯经由加工所得，石墨烯层数为20层，单片尺寸为50um，所制得的石墨烯粉体的规格为500目，将该1g原料石墨烯粉体采用震荡频率为50kHz的超声波，使其分散在1000ml的乙二醇碳酸酯中，形成石墨烯浆料。
步骤S2：将步骤S1中的石墨烯浆料加入到混料机中，并向混料机中加入300目的电解铜粉8g，混料机持续工作1h，使得石墨烯浆料和铜粉能混合均匀。从混料机中输出的混合物料在-50℃的环境下采用冷冻干燥的方式使其蒸干，共持续1h，形成石墨烯-铜复合粉体。
步骤S3：将步骤S2中的石墨烯-铜复合粉体输入行星球磨机中，并向行星球磨机中继续添加300目的鳞片石墨粉10g、聚酰亚胺2g。调节行星球磨机的转速为200r/min，使得行星球磨机中的物料共混合研磨15h，制得石墨烯-铜-石墨第一复合粉体。
步骤S4：使石墨烯-铜-石墨第一复合粉体在氩气的保护下被加热至90℃，并保温12h后使其随加热炉冷却，制得石墨烯-铜-石墨第二复合粉体。
步骤S5：对石墨烯-铜-石墨第二复合粉体研磨后进行筛分，筛分操作中所采用的筛子为400目，筛分所得的合格粉料在压力为600MPa的环境下，使其在模具中压制成型，之后在800℃的环境下进行烧结，并保温4h，烧结保温过程使物料均处于氩气的气氛中，冷却后，即得产品铜-石墨-石墨烯电刷。
表3中示出了本实施例所制得的产品铜-石墨-石墨烯电刷经检测的各性能，表3中还示出了现有产品铜-石墨电刷(J203)的各性能。
表3
本实施例中所制得的产品铜-石墨-石墨烯电刷原料为300目的铜粉8g，300目鳞片石墨粉10g，500目石墨烯粉体1g，聚酰亚胺树脂2g。本实施例所制得的产品铜-石墨-石墨烯电刷中，铜粉的质量分数为38.10％，石墨粉的质量分数为47.62％，石墨烯粉体的质量分数为4.76％，树脂的质量分数为9.52％，添加剂为0％。现有的铜-石墨电刷(J203)，其原料为300目的铜粉8g，300目的鳞片石墨粉10g和2g的沥青。现有的铜-石墨电刷(J203)与本实施例产品铜-石墨-石墨烯电刷原料相似，只是在本实施例中在现有的铜-石墨电刷(J203)材料的基础上还添加了3g的石墨粉以及少量的添加剂。
由表3中检测数据对比可知，本实施例所制得的铜-石墨-石墨烯电刷相较于现有的铜-石墨电刷(J203)电刷总压降低，50小时磨损量少，体积密度大，电阻率小，抗折强度高，洛氏硬度高，电火花等级低，因此，本实施例中铜-石墨-石墨烯电刷相较于现有的铜-石墨电刷(J203)，其电气性能和机械性能均得到了较大的提高。
实施例四：
步骤S1：原料石墨烯粉体为机械剥离法制取的石墨烯经由加工所得，石墨烯层数为20层，单片尺寸为100um，所制得的石墨烯粉体的规格为80目，将该0.1g原料石墨烯粉体采用震荡频率为20kHz的超声波，使其分散在50ml的四氢呋喃中，形成石墨烯浆料。
步骤S2：将步骤S1中的石墨烯浆料加入到混料机中，并向混料机中加入1000目的电解铜粉16g，混料机持续工作10h，使得石墨烯浆料和铜粉能混合均匀。从混料机中输出的混合物料在-70℃的环境下采用冷冻干燥的方式使其蒸干，共持续12h，形成石墨烯-铜复合粉体。
步骤S3：将步骤S2中的石墨烯-铜复合粉体输入行星球磨机中，并向行星球磨机中继续添加100目的鳞片石墨粉3.8g、200目的碳化硅和200目的氮化硼共0.1g。调节行星球磨机的转速为200r/min，使得行星球磨机中的物料共混合研磨24h，制得石墨烯-铜-石墨第一复合粉体。
步骤S4：使石墨烯-铜-石墨第一复合粉体在氩氢气的保护下被加热至90℃，并保温6h后使其随加热炉冷却，制得石墨烯-铜-石墨第二复合粉体。
步骤S5：对石墨烯-铜-石墨第二复合粉体研磨后进行筛分，筛分操作中所采用的筛子为400目，筛分所得的合格粉料在压力为600MPa的环境下，使其在模具中压制成型，之后在800℃的环境下进行烧结，并保温5h，烧结保温过程使物料均处于氩氢气的气氛中，冷却后，即得产品铜-石墨-石墨烯电刷。
表4中示出了本实施例所制得的产品铜-石墨-石墨烯电刷经检测的各性能，表4中还示出了现有产品铜-石墨电刷(J101)的各性能。
表4
本实施例中所制得的产品铜-石墨-石墨烯电刷原料为1000目的铜粉16g，100目鳞片石墨粉3.8g，400目石墨烯粉体0.1g，200目的碳化硅和200目的氮化硼共0.1g。本实施例所制得的产品铜-石墨-石墨烯电刷中，铜粉的质量分数为80％，石墨粉的质量分数为19％，石墨烯粉体的质量分数为0.5％，树脂的质量分数为0％，添加剂为0.5％。现有的铜-石墨电刷(J101)，其原料为300目的铜粉16g，300目的鳞片石墨粉3g和1g的沥青。现有的铜-石墨电刷(J101)与本实施例产品铜-石墨-石墨烯电刷原料相似，只是在本实施例中将现有的铜-石墨电刷(J101)中的0.1g石墨粉原料采用石墨烯来代替，并且在本实施例中还添加了3.8g的石墨粉以及少量的添加剂。
由表4中检测数据对比可知，本实施例所制得的铜-石墨-石墨烯电刷相较于现有的铜-石墨电刷(J101)电刷总压降低，50小时磨损量少，体积密度大，电阻率小，抗折强度高，洛氏硬度高，因此，本实施例中铜-石墨-石墨烯电刷相较于现有的铜-石墨电刷(J101)，其电气性能和机械性能均得到了较大的提高。
实施例五：
步骤S1：原料石墨烯粉体为机械剥离法制取的石墨烯经由加工所得，石墨烯层数为6～10层，单片尺寸为10um，所制得的石墨烯粉体的规格为1000目，将该6g原料石墨烯粉体采用震荡频率为50kHz的超声波，使其分散在1800ml的乙二醇碳酸酯中，形成石墨烯浆料。
步骤S2：将步骤S1中的石墨烯浆料加入到混料机中，并向混料机中加入100目的电解铜粉7g，混料机持续工作10h，使得石墨烯浆料和铜粉能混合均匀。从混料机中输出的混合物料在-70℃的环境下采用冷冻干燥的方式使其蒸干，共持续12h，形成石墨烯-铜复合粉体。
步骤S3：将步骤S2中的石墨烯-铜复合粉体输入行星球磨机中，并向行星球磨机中继续添加800目的鳞片石墨粉2.8g，酚醛树脂和脲醛树脂共4g，200目的铬粉和银粉共0.2g。调节行星球磨机的转速为300r/min，使得行星球磨机中的物料共混合研磨18h，制得石墨烯-铜-石墨第一复合粉体。
步骤S4：使石墨烯-铜-石墨第一复合粉体在氩氢气的保护下被加热至50℃，并保温12h后使其随加热炉冷却，制得石墨烯-铜-石墨第二复合粉体。
步骤S5：对石墨烯-铜-石墨第二复合粉体研磨后进行筛分，筛分操作中所采用的筛子为300目，筛分所得的合格粉料在压力为600MPa的环境下，使其在模具中压制成型，之后在850℃的环境下进行烧结，并保温3h，烧结保温过程使物料均处于氮气和氢气的气氛中，冷却后，即得产品铜-石墨-石墨烯电刷。
表5中示出了本实施例所制得的产品铜-石墨-石墨烯电刷经检测的各性能，表5中还示出了现有产品铜-石墨电刷(J206)的各性能。
表5
本实施例中所制得的产品铜-石墨-石墨烯电刷原料为100目的铜粉7g，800目鳞片石墨粉2.8g，1000目石墨烯粉体6g，酚醛树脂和脲醛树脂共4g，200目的铬粉和银粉共0.2g。本实施例所制得的产品铜-石墨-石墨烯电刷中，铜粉的质量分数为35％，石墨粉的质量分数为14％，石墨烯粉体的质量分数为30％，树脂的质量分数为20％，添加剂为1％。现有的铜-石墨电刷(J206)，其原料为300目的铜粉7g，300目的鳞片石墨粉10g和3g的沥青。现有的铜-石墨电刷(J206)与本实施例产品铜-石墨-石墨烯电刷原料相似，只是在本实施例中将现有的铜-石墨电刷(J206)中的6g石墨粉原料采用石墨烯来代替，并且在本实施例中还添加了2.8g的石墨粉以及少量的添加剂。
由表5中检测数据对比可知，本实施例所制得的铜-石墨-石墨烯电刷相较于现有的铜-石墨电刷(J206)电刷总压降低，50小时磨损量少，电阻率小，抗折强度高，洛氏硬度高，因此，本实施例中铜-石墨-石墨烯电刷相较于现有的铜-石墨电刷(J206)，其电气性能和机械性能均得到了较大的提高。
实施例六：
步骤S1：原料石墨烯粉体为机械剥离法制取的石墨烯经由加工所得，石墨烯层数为11层，所制得的石墨烯粉体的规格为120目，将该0.2g原料石墨烯粉体采用震荡频率为40kHz的超声波，使其分散在50ml的四氢呋喃中，形成石墨烯浆料。
步骤S2：将步骤S1中的石墨烯浆料加入到混料机中，并向混料机中加入300目的电解铜粉7g，混料机持续工作10h，使得石墨烯浆料和铜粉能混合均匀。从混料机中输出的混合物料在-50℃的环境下采用冷冻干燥的方式使其蒸干，共持续12h，形成石墨烯-铜复合粉体。
步骤S3：将步骤S2中的石墨烯-铜复合粉体输入行星球磨机中，并向行星球磨机中继续添加100目的鳞片石墨粉12g，酚醛树脂0.8g。调节行星球磨机的转速为200r/min，使得行星球磨机中的物料共混合研磨24h，制得石墨烯-铜-石墨第一复合粉体。
步骤S4：使石墨烯-铜-石墨第一复合粉体在氩氢气的保护下被加热至120℃，并保温6h后使其随加热炉冷却，制得石墨烯-铜-石墨第二复合粉体。
步骤S5：对石墨烯-铜-石墨第二复合粉体研磨后进行筛分，筛分操作中所采用的筛子为400目，筛分所得的合格粉料在压力为600MPa的环境下，使其在模具中压制成型，之后在800℃的环境下进行烧结，并保温3h，烧结保温过程使物料均处于氩氢气的气氛中，冷却后，即得产品铜-石墨-石墨烯电刷。
表6中示出了本实施例所制得的产品铜-石墨-石墨烯电刷经检测的各性能，表6中还示出了现有产品铜-石墨电刷(J203)的各性能。
表6
本实施例中所制得的产品铜-石墨-石墨烯电刷原料为300目的铜粉7g，100目鳞片石墨粉12g，120目石墨烯粉体0.2g，酚醛树脂0.8g。本实施例所制得的产品铜-石墨-石墨烯电刷中，铜粉的质量分数为35％，石墨粉的质量分数为60％，石墨烯粉体的质量分数为1％，树脂的质量分数为4％，添加剂为0％。现有的铜-石墨电刷(J203)，其原料为300目的铜粉8g，300目的鳞片石墨粉10g和2g的沥青。现有的铜-石墨电刷(J203)与本实施例产品铜-石墨-石墨烯电刷原料相似，只是在本实施例中在现有的铜-石墨电刷(J203)材料的基础上还添加了2g的石墨粉以及少量的添加剂。
由表6中检测数据对比可知，本实施例所制得的铜-石墨-石墨烯电刷相较于现有的铜-石墨电刷(J203)电刷总压降低，50小时磨损量少，体积密度大，电阻率小，抗折强度高，洛氏硬度高，电火花等级低，因此，本实施例中铜-石墨-石墨烯电刷相较于现有的铜-石墨电刷(J203)，其电气性能和机械性能均得到了较大的提高。
经实验证明，具体结合上述实施例所制得的铜-石墨-石墨烯电刷，得出铜-石墨-石墨烯电刷各组分的最大范围如下：铜粉的质量分数为35～80％；石墨粉的质量分数为10～60％；石墨烯粉体的质量分数为0.5～30％；热固性树脂的质量分数为0～20％。上述的铜-石墨-石墨烯电刷具有电阻率低、电火花小、摩擦系数低、机械性能好的特点。
在上述具体实施例(实施例一～六)中，实施二所制得的铜-石墨-石墨烯电刷为各方面性能综合最优，实施例三制得的铜-石墨-石墨烯电刷各方面性能综合次优。铜-石墨-石墨烯电刷各组分实验的优选范围如下：铜粉的质量分数为38.10～68.29％；石墨粉的质量分数为24.39～47.62％；石墨烯粉体的质量分数为4.76～4.88％；热固性树脂的质量分数为4～9.52％。
根据上述铜-石墨-石墨烯电刷各组分实验的优选范围并结合铜-石墨-石墨烯电刷各组分的最大范围，经实验证明铜-石墨-石墨烯电刷各组分的优选范围如下：铜粉的质量分数为38～68％；石墨粉的质量分数为24～47％；石墨烯粉体的质量分数为4-6％；热固性树脂的质量分数为0～10％。上述的铜-石墨-石墨烯电刷的性能更为优良，具有电阻率更低、电火花更小、摩擦系数更低、机械性能更好的特点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种铜-石墨-石墨烯电刷，其特征在于：包括如下组分：铜粉，其质量分数为35～80％；石墨粉，其质量分数为10～60％；石墨烯粉体，其质量分数为0.5～30％；热固性树脂，其质量分数为0～20％。
2.根据权利要求1所述的铜-石墨-石墨烯电刷，其特征在于：还包括添加剂，所述添加剂的质量分数为0～2.44％，所述添加剂为碳化硅、氮化硅、氮化硼、二氧化钛、铬、锰、镍、硅、银中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的铜-石墨-石墨烯电刷，其特征在于：所述石墨粉的质量分数为14～47.62％；所述热固性树脂的质量分数为4.76～20％；所述添加剂为氮化硼，所述氮化硼的质量分数为0.5～2.44％。
4.根据权利要求1所述的铜-石墨-石墨烯电刷，其特征在于：所述铜粉的质量分数为38～68％；所述石墨粉的质量分数为24～47％；所述石墨烯粉体的质量分数为4-6％；所述热固性树脂的质量分数为0～10％。
5.一种铜-石墨-石墨烯电刷的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1：石墨烯粉体分散在分散剂中形成石墨烯浆料；
步骤S2：石墨烯浆料和铜粉充分混合并干燥，形成石墨烯-铜复合粉体；
步骤S3：石墨烯-铜复合粉体和石墨粉、热固性树脂粉体混合研磨，以制得石墨烯-铜-石墨第一复合粉体，所述石墨烯-铜-石墨第一复合粉体中，铜粉的质量分数为35～80％，石墨粉的质量分数为10～60％；石墨烯粉体的质量分数为0.5～30％，热固性树脂的质量分数为0～20％；
步骤S4：在保护气体的环境下，加热所述石墨烯-铜-石墨第一复合粉体至温度为50～200℃，保温1～12h后使其随炉冷却，制得石墨烯-铜-石墨第二复合粉体；
步骤S5：将所述石墨烯-铜-石墨第二复合粉体研磨后筛分，并经压型、烧结后形成产品铜-石墨-石墨烯电刷。
6.根据权利要求5所述的铜-石墨-石墨烯电刷的制备方法，其特征在于：所述铜粉为100～1000目的电解铜粉或者球形铜粉；所述石墨粉为100～800目的鳞片石墨粉；所述石墨烯粉体为80～1000目的石墨烯粉体。
7.根据权利要求5所述的铜-石墨-石墨烯电刷的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的分散剂为N，N-二甲基乙酰胺、乙二醇碳酸酯、乙酸乙酯、四氢呋喃中的一种或多种，所述石墨烯浆料中石墨烯与分散剂的比例为1g∶200～1000ml。
8.根据权利要求5所述的铜-石墨-石墨烯电刷的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中的干燥方式为采用冷冻干燥的方式将混合后的石墨烯浆料和铜粉蒸干，所述冷冻干燥的温度为-70～-30℃，时间为1～24h。
9.根据权利要求5所述的铜-石墨-石墨烯电刷的制备方法，其特征在于：步骤S3中，石墨烯-铜复合粉体、石墨粉和热固性树脂粉体的混合研磨操作为将所述石墨烯-铜复合粉体和石墨粉、热固性树脂粉体在转速为200～400r/min的行星球磨机中研磨1～24h。
10.根据权利要求5所述的铜-石墨-石墨烯电刷的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中，筛分操作为将石墨烯-铜-石墨第二复合粉体过300～500目筛；压型操作中的压力为500～800MPa；烧结操作中的温度为500～900℃，烧结操作中的保温时间为2～6h，保温气体为氮气、氩气、氢气或氩氢气中的一种或多种。
11.根据权利要求5～10中任意一项所述的铜-石墨-石墨烯电刷的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中还有添加剂粉体，所述石墨烯-铜复合粉体和石墨粉、热固性树脂粉体以及添加剂粉体混合研磨，以制得石墨烯-铜-石墨-树脂-添加剂复合粉体，所述石墨烯-铜-石墨第一复合粉体中，铜粉的质量分数为35～80％，石墨粉的质量分数为10～60％；石墨烯粉体的质量分数为0.5～30％，热固性树脂的质量分数为0～20％，添加剂的质量分数为0～2.44％；
所述添加剂为碳化硅、氮化硅、氮化硼、二氧化钛、铬、锰、镍、硅、银中的一种或多种。
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