CN109167229A - 一种铜基氧化石墨烯碳刷及其制备方法 - Google Patents

一种铜基氧化石墨烯碳刷及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜基氧化石墨烯碳刷，该铜基氧化石墨烯碳刷采用铜基氧化石墨烯复合材料制成，所述铜基氧化石墨烯复合材料由重量比为20‑25%的骨料和重量比为75‑80%的粉料组成。有益效果在于：本发明所述的一种铜基氧化石墨烯碳刷不仅具有较好的换向性能和自润滑性，而且对换向器的磨损小，从而有效延长电机的使用寿命，实用性好，此外，上述制备方法对设备要求低、操作简便、制得的碳刷中铜基氧化石墨烯复合材料增强体分散性好。

Description

一种铜基氧化石墨烯碳刷及其制备方法
技术领域
本发明涉及碳刷领域，具体涉及一种铜基氧化石墨烯碳刷及其制备方法。
背景技术
碳刷（Carbon brush）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。碳刷的材质主要有石墨，浸脂石墨，金属（含铜，银）石墨。
碳刷是电动机或发电机或其他旋转机械的固定部分和转动部分之间传递能量或信号的装置，它一般是纯碳加凝固剂制成，外型一般是方块，卡在金属支架上，里面有弹簧把它紧压在转轴上，电机转动的时候，将电能通过换相器输送给线圈，由于其主要成分是碳，因此换向性能和自润滑性能较差，对换向器的磨损比较厉害，自身磨损也比较快，因此使用一段时间后便需要更换新的碳刷，而且更换前还需清理积碳。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种铜基氧化石墨烯碳刷及其制备方法，以解决现有技术中传统的碳刷换向性能和自润滑性能差，容易磨损换向器等问题。本发明提供的诸多技术方案中优选的技术方案能够实现碳刷具有较好的换向性能和自润滑性能，而且对换向器的磨损小，有效延长电机的使用寿命，实用性好等技术效果，详见下文阐述。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种铜基氧化石墨烯碳刷，该铜基氧化石墨烯碳刷采用铜基氧化石墨烯复合材料制成，所述铜基氧化石墨烯复合材料由重量比为20-25%的骨料和重量比为75-80%的粉料组成；
所述骨料由重量比为70-75%的电解铜粉和重量比为25-30%的锡粉组成；
所述粉料由重量比为40-50%的氧化石墨烯粉、重量比为25-30%的特种石墨粉和重量比为25-30%的炭黑组成。
作为本案的重要设计，所述炭黑的纯度为95.5%，粒径为-400目。
作为本案的优化设计，所述特种石墨粉的体积密度为1.80g/cm3，电阻率≤8μΩm，抗折强度≥30Mpa，抗压强度≥65Mpa，灰分≤0.30%，粒径为-325目。
作为本案的优化设计，所述氧化石墨烯粉的纯度为99.9%，粒径为-325目。
作为本案的优化设计，所述锡粉的体积密度为7.28g/cm3，纯度为99.5%，粒径为-200目。
作为本案的优化设计，所述电解铜粉的体积密度为8.92×103g/cm3，电阻率为1.694*10-8Ω·m，纯度为99.5%，粒径为-200目。
本发明提供的一种制备前述权利要求中任一项所述的铜基氧化石墨烯碳刷的制备方法，包括如下步骤：
S1：制备骨料，将电解铜粉和锡粉按重量比配制混匀；
S2：骨料雾化，将S1制备的骨料利用电动力学雾化，其时间为4-10h，冷却速率为105-106K/s，其平均过粒度为过-200目筛；
S3：制备粉料，将氧化石墨烯粉、特种石墨粉和炭黑按重量比配制混匀；
S4：粉料碾磨，将S3制得的粉料利用球磨机进行碾磨，碾磨时间为8-16h，速度为500-700r/min，其平均过粒度为过-325目筛和-400目筛；
S5：脱脂，将S2雾化后的骨料和S4碾磨后的粉料分别放入碱洗溶液中进行超声波脱脂，碱洗溶液温度为65-75℃，浸泡时间为5-10min；
S6：混合，将S5中脱脂后的骨料和粉料按重量比配制混匀；
S7：加压成型，将S6制得的混合料在300-400Mpa压力下进行压制成型，制作电刷坯制品，压制过程中保压10-20min；
S8：一次烧结，将S7制得的电刷坯制品在氩气保护气氛烧结炉中以800-950℃烧结、烧结保温加压时间为10-15min、烧结压强为50-80MPa；
S9：再次烧结，采用放电等离子烧结工艺对S8一次烧结后的电刷制品再次进行烧结，得到铜基氧化石墨烯复合材料制成的电刷。
作为本案的重要设计，S6中混合采用湿混机械法，即将骨料与粉料在混料机中以液体为介质进行混合；
其中，所述液体为乙醇。
作为本案的优化设计，S9中最高烧结温度为2500℃。
有益效果在于：本发明所述的一种铜基氧化石墨烯碳刷不仅具有较好的换向性能和自润滑性，而且对换向器的磨损小，从而有效延长电机的使用寿命，实用性好，此外，上述制备方法对设备要求低、操作简便、制得的碳刷中铜基氧化石墨烯复合材料增强体分散性好。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本发明提供的一种铜基氧化石墨烯碳刷，该铜基氧化石墨烯碳刷采用铜基氧化石墨烯复合材料制成，该铜基氧化石墨烯复合材料的体积密度为8-15.0g/cm3、电阻率≤5.0μΩm、洛氏硬度 70-110HR10/40、额定电流密度 25-50A/cm2，铜基氧化石墨烯复合材料由重量比为20-25%的骨料和重量比为75-80%的粉料组成；
骨料由重量比为70-75%的电解铜粉和重量比为25-30%的锡粉组成；
粉料由重量比为40-50%的氧化石墨烯粉、重量比为25-30%的特种石墨粉和重量比为25-30%的炭黑组成。
作为可选的实施方式，炭黑的纯度为95.5%，粒径为-400目。
特种石墨粉的体积密度为1.80g/cm3，电阻率≤8μΩm，抗折强度≥30Mpa，抗压强度≥65Mpa，灰分≤0.30%，粒径为-325目。
氧化石墨烯粉的纯度为99.9%，粒径为-325目。
锡粉的体积密度为7.28g/cm3，纯度为99.5%，粒径为-200目。
电解铜粉的体积密度为8.92×103g/cm3，电阻率为1.694*10-8Ω·m，纯度为99.5%，粒径为-200目。
本发明提供的一种制备前述权利要求中任一项的铜基氧化石墨烯碳刷的制备方法，包括如下步骤：
S1：制备骨料，将电解铜粉和锡粉按重量比配制混匀；
S2：骨料雾化，将S1制备的骨料利用电动力学雾化，其时间为4-10h，冷却速率为105-106K/s，其平均过粒度为过-200目筛，雾化的工作原理是将几千伏的额定电压施加到毛细管发射极内的液流表面上，利用建立的强电场在液流表面产生强大的抽力，以有效地克服液流的表面张力，使骨料喷射成小液滴，带电液滴加速后飞向收集器，形成骨料粉末；其优点是制备的骨料粉末纯度高，组织均匀，且工艺性能好；工艺流程时间短，设备简单；
S3：制备粉料，将氧化石墨烯粉、特种石墨粉和炭黑按重量比配制混匀；
S4：粉料碾磨，将S3制得的粉料利用球磨机进行碾磨，碾磨时间为8-16h，速度为500-700r/min，其平均过粒度为过-325目筛和-400目筛；
S5：脱脂，将S2雾化后的骨料和S4碾磨后的粉料分别放入碱洗溶液中进行超声波脱脂，碱洗溶液温度为65-75℃，浸泡时间为5-10min，当骨料和粉料放入碱洗溶液中，其表面的可皂化油直接与碱发生皂化反应，反应生成的服皂和甘油都能很好地溶解于水中，骨料和粉料表面上的非皂化油则依靠乳化剂NA2SIO3.5H2O产生的乳化作用除去，乳化剂是一类表面活性剂，它在溶液中的分布是不均匀的，常常吸附在界面上，可降低油液界面张力，导致油与溶液的接触面积增大，使油膜变成小油滴分散在溶液中，从而使骨料和粉料表面上的非皂化油得以去除；
S6：混合，将S5中脱脂后的骨料和粉料按重量比配制混匀；
S7：加压成型，将S6制得的混合料在300-400Mpa压力下进行压制成型，制作电刷坯制品，压制过程中保压10-20min；
S8：一次烧结，将S7制得的电刷坯制品在氩气保护气氛烧结炉中以800-950℃烧结、烧结保温加压时间为10-15min、烧结压强为50-80MPa；
S9：再次烧结，采用放电等离子烧结工艺对S8一次烧结后的电刷制品再次进行烧结，得到铜基氧化石墨烯复合材料制成的电刷，且该铜基氧化石墨烯复合材料分散性良好，同时电刷制品结合情况良好，综合理化指标优异，同时上述制备方法对设备要求低、操作简便、制得的碳刷中铜基氧化石墨烯复合材料增强体分散性好。
作为可选的实施方式，S6中混合采用湿混机械法，即将骨料与粉料在混料机中以液体为介质进行混合；
其中，液体为乙醇，这样设计，主要是利用乙醇为湿混的液态介质既不与骨料和粉料发生化学反应，而且沸点又低、易挥发不会给混合后的骨料和粉料带来污染。
S9中最高烧结温度为2500℃，这样设计，方便一次烧结后的焙烧品转化为微晶型人造石墨（即铜基氧化石墨烯复合材料）。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种铜基氧化石墨烯碳刷，其特征在于：该铜基氧化石墨烯碳刷采用铜基氧化石墨烯复合材料制成，所述铜基氧化石墨烯复合材料由重量比为20-25%的骨料和重量比为75-80%的粉料组成；
所述骨料由重量比为70-75%的电解铜粉和重量比为25-30%的锡粉组成；
所述粉料由重量比为40-50%的氧化石墨烯粉、重量比为25-30%的特种石墨粉和重量比为25-30%的炭黑组成。
2.根据权利要求1所述的一种铜基氧化石墨烯碳刷，其特征在于：所述炭黑的纯度为95.5%，粒径为-400目。
3.根据权利要求1所述的一种铜基氧化石墨烯碳刷，其特征在于：所述特种石墨粉的体积密度为1.80g/cm3，电阻率≤8μΩm，抗折强度≥30Mpa，抗压强度≥65Mpa，灰分≤0.30%，粒径为-325目。
4.根据权利要求1所述的一种铜基氧化石墨烯碳刷，其特征在于：所述氧化石墨烯粉的纯度为99.9%，粒径为-325目。
5.根据权利要求1所述的一种铜基氧化石墨烯碳刷，其特征在于：所述锡粉的体积密度为7.28g/cm3，纯度为99.5%，粒径为-200目。
6.根据权利要求1所述的一种铜基氧化石墨烯碳刷，其特征在于：所述电解铜粉的体积密度为8.92×103g/cm3，电阻率为1.694*10-8Ω·m，纯度为99.5%，粒径为-200目。
7.一种制备前述权利要求中任一项所述的铜基氧化石墨烯碳刷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：制备骨料，将电解铜粉和锡粉按重量比配制混匀；
S2：骨料雾化，将S1制备的骨料利用电动力学雾化，其时间为4-10h，冷却速率为105-106K/s，其平均过粒度为过-200目筛；
S3：制备粉料，将氧化石墨烯粉、特种石墨粉和炭黑按重量比配制混匀；
S4：粉料碾磨，将S3制得的粉料利用球磨机进行碾磨，碾磨时间为8-16h，速度为500-700r/min，其平均过粒度为过-325目筛和-400目筛；
S5：脱脂，将S2雾化后的骨料和S4碾磨后的粉料分别放入碱洗溶液中进行超声波脱脂，碱洗溶液温度为65-75℃，浸泡时间为5-10min；
S6：混合，将S5中脱脂后的骨料和粉料按重量比配制混匀；
S7：加压成型，将S6制得的混合料在300-400Mpa压力下进行压制成型，制作电刷坯制品，压制过程中保压10-20min；
S8：一次烧结，将S7制得的电刷坯制品在氩气保护气氛烧结炉中以800-950℃烧结、烧结保温加压时间为10-15min、烧结压强为50-80MPa；
S9：再次烧结，采用放电等离子烧结工艺对S8一次烧结后的电刷制品再次进行烧结，得到铜基氧化石墨烯复合材料制成的电刷。
8.根据权利要求7所述的铜基氧化石墨烯碳刷的制备方法，其特征在于：S6中混合采用湿混机械法，即将骨料与粉料在混料机中以液体为介质进行混合；
其中，所述液体为乙醇。
9.根据权利要求7所述的铜基氧化石墨烯碳刷的制备方法，其特征在于：S9中最高烧结温度为2500℃。
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