CN109524866B - 一种石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷及其制备方法 - Google Patents
一种石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯‑纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷，所述碳刷由骨料和粉料按一定的比例混合压制成型后烧结制成，所述骨料和粉料的重量比为（65‑75）:（30‑35），所述骨料为电解铜粉和锡粉的混合体，其重量比为（70‑75）:（25‑30），所述粉料为石墨烯粉、等静压石墨粉、炭黑与纳米碳纤维的混合体，其重量比为30:20:40:10。有益效果在于：本发明所述的一种石墨烯‑纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷具有较好的换向性和自润滑性能，有效延长交直流电机的使用寿命，同时对换向器的磨损较小，此外，制备工艺简单，对设备要求低，操作简便，制备的碳刷增强体分散性好，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及新型碳材料领域，具体涉及一种石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷及其制备方法。
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。碳刷的作用主要是对金属磨擦的同时导电，它不像金属对金属磨擦导电时一样；金属对金属磨擦导电时，磨擦力可能会增大，同时交接的地方可能会烧结在一起；而碳刷则不会，因为碳和金属是两种不同的元素。它的用途多半都用在电动机上，型状是多种多样的，有方的有圆的等等。
碳刷的材质主要有石墨、浸脂石墨、金属（含铜、银）石墨等。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；
虽然常见的碳刷都是采用石墨制作，但是其在使用过程中仍存在换向性、自润滑性能较差的问题，这无疑会对电机内部的换向器产生较大的磨损，因此现有的交直流电机每使用一段时间后便需要更换换向器，使用寿命不长。
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石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷及其制备方法，以解决现有技术中传统的碳刷换向性、自润滑性能差，对换向器的磨损较大，影响交直流电机的使用寿命等问题。本发明提供的诸多技术方案中优选的技术方案能够实现增强碳刷的换向性和自润滑性能，延长交直流电机的使用寿命，同时对换向器的磨损较小等技术效果，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：
本发明提供的一种石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷，所述碳刷由骨料和粉料按一定的比例混合压制成型后烧结制成，所述骨料和粉料的重量比为（65-75）:（30-35），所述骨料为电解铜粉和锡粉的混合体，其重量比为（70-75）:（25-30），所述粉料为石墨烯粉、等静压石墨粉、炭黑与纳米碳纤维的混合体，其重量比为30:20:40:10。
作为本案的重要设计，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-250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-300目。
作为本案的优化设计，所述石墨烯粉的纯度为99.9%，粒径为-350目。
作为本案的优化设计，所述等静压石墨粉的体积密度为2.20g/cm3，电阻率≤6μΩm，抗折强度≥30Mpa，抗压强度≥65Mpa，灰分≤0.30%，粒径为-400目。
作为本案的优化设计，所述炭黑的纯度为95.5%，粒径为-420目。
作为本案的优化设计，所述纳米碳纤维的粒径为-500目、体积密度≥2.12g/cm3、抗拉强度7.0Gpa、电阻率≤10μΩ·m。
一种石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：骨料的雾化，将电解铜粉和锡粉分别用电动力学雾化，雾化时间为4-10h，冷却速率为105-106K/s，雾化后过筛；
步骤二：粉料的碾磨，将石墨烯粉、等静压石墨粉、炭黑与纳米碳纤维分别利用球磨机进行碾磨，碾磨时间为8-16h，速度为500-700r/min，碾磨后过筛；
步骤三：脱脂，将雾化后的骨料和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；
步骤四：混粉，将脱脂后的骨料和粉料按比例均匀混合；
步骤五：加压成型，将步骤四制得的混粉在300-400Mpa的压力下进行压制成型制的坯制品，成型后保压10-20min；
步骤六：一次烧结，将步骤五制得的坯制品在通氩气防止其氧化的条件下进行烧结，烧结温度为800-950℃、烧结保温加压时间为10-15min、烧结压强为50-80MPa；
步骤七：再次烧结，采用放电等离子烧结工艺对一次烧结后的坯制品进行再次烧结，烧结最高温度为2500℃，再次烧结后即可得到石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷。
作为本案的重要设计，步骤四中的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，所述液体为乙醇。
有益效果在于：本发明所述的一种石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷具有较好的换向性和自润滑性能，有效延长交直流电机的使用寿命，同时对换向器的磨损较小，此外，制备工艺简单，对设备要求低，操作简便，制备的碳刷增强体分散性好，实用性强。
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。
本发明提供的一种石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷，碳刷由骨料和粉料按一定的比例混合压制成型后烧结制成，其主要成分为石墨烯粉、炭黑、等静压石墨粉和电解铜粉等各种粉末材料组成，其中炭黑为导电剂，此外，在其中加入的增强剂纳米碳纤维材料增强了电机碳刷的各种理化性能，上述骨料和粉料的混合料经过最高2500度高温提纯处理便转化为微晶型人造石墨，骨料和粉料的重量比为（65-75）:（30-35），骨料为电解铜粉和锡粉的混合体，其重量比为（70-75）:（25-30），粉料为石墨烯粉、等静压石墨粉、炭黑与纳米碳纤维的混合体，其重量比为30:20:40:10。
作为可选的实施方式，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-250目。
锡粉的体积密度为7.28g/cm3，纯度为99.5%，粒径为-300目。
石墨烯粉的纯度为99.9%，粒径为-350目。
等静压石墨粉的体积密度为2.20g/cm3，电阻率≤6μΩm，抗折强度≥30Mpa，抗压强度≥65Mpa，灰分≤0.30%，粒径为-400目。
炭黑的纯度为95.5%，粒径为-420目。
纳米碳纤维的粒径为-500目、体积密度≥2.12g/cm3、抗拉强度7.0Gpa、电阻率≤10μΩ·m。
一种石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：骨料的雾化，将电解铜粉和锡粉分别用电动力学雾化，雾化时间为4-10h，冷却速率为105-106K/s，雾化后过筛；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，使金属喷射成小液滴，带电液滴加速后飞向收集器，形成粉末，其优点是制备的粉末纯度高，组织均匀，且工艺性能好；工艺流程时间短，设备简单；
步骤二：粉料的碾磨，将石墨烯粉、等静压石墨粉、炭黑与纳米碳纤维分别利用球磨机进行碾磨，碾磨时间为8-16h，速度为500-700r/min，碾磨后过筛；
步骤三：脱脂，将雾化后的骨料和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；脱脂原理如下：当骨料、粉料放入碱洗溶液后，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、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齐，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，从而使粉末表面上的非皂化油得以去除；
步骤四：混粉，将脱脂后的骨料和粉料按比例均匀混合；
步骤五：加压成型，将步骤四制得的混粉在300-400Mpa的压力下进行压制成型制的坯制品，成型后保压10-20min；
步骤六：一次烧结，将步骤五制得的坯制品在通氩气防止其氧化的条件下进行烧结，烧结温度为800-950℃、烧结保温加压时间为10-15min、烧结压强为50-80MPa；
步骤七：再次烧结，采用放电等离子烧结工艺对一次烧结后的坯制品进行再次烧结，烧结最高温度为2500℃，再次烧结后即可得到石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷，所制的石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的体积密度为10-25g/cm3、电阻率≤1.0μΩm、洛氏硬度 80-150HR10/40、额定电流密度25-50A/cm2。
作为可选的实施方式，步骤四中的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，液体为乙醇，利用乙醇为湿混的液态介质既不与骨料、粉料发生化学反应，而且沸点又低、易挥发不会给混合后的粉料带来污染。
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)
1.一种石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：骨料的雾化，将电解铜粉和锡粉分别用电动力学雾化，雾化时间为4-10h，冷却速率为105-106K/s，雾化后过筛；
步骤二：粉料的碾磨，将石墨烯粉、等静压石墨粉、炭黑与纳米碳纤维分别利用球磨机进行碾磨，碾磨时间为8-16h，速度为500-700r/min，碾磨后过筛；
步骤三：脱脂，将雾化后的骨料和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；
步骤四：混粉，将脱脂后的骨料和粉料按比例均匀混合；
步骤五：加压成型，将步骤四制得的混粉在300-400Mpa的压力下进行压制成型制的坯制品，成型后保压10-20min；
步骤六：一次烧结，将步骤五制得的坯制品在通氩气防止其氧化的条件下进行烧结，烧结温度为800-950℃、烧结保温加压时间为10-15min、烧结压强为50-80MPa；
步骤七：再次烧结，采用放电等离子烧结工艺对一次烧结后的坯制品进行再次烧结，烧结最高温度为2500℃，再次烧结后即可得到石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其特征在于：步骤四中的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，所述液体为乙醇。
3.根据权利要求1所述的制备方法制备的石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷，其特征在于：所述碳刷由骨料和粉料按一定的比例混合压制成型后烧结制成，所述骨料和粉料的重量比为（65-75）:（30-35），所述骨料为电解铜粉和锡粉的混合体，其重量比为（70-75）:（25-30），所述粉料为石墨烯粉、等静压石墨粉、炭黑与纳米碳纤维的混合体，其重量比为30:20:40:10。
4.根据权利要求3所述的一种石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷，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-250目。
5.根据权利要求3所述的一种石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷，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-300目。
6.根据权利要求3所述的一种石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷，其特征在于：所述石墨烯粉的纯度为99.9%，粒径为-350目。
7.根据权利要求3所述的一种石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷，其特征在于：所述等静压石墨粉的体积密度为2.20g/cm3，电阻率≤6μΩm，抗折强度≥30Mpa，抗压强度≥65Mpa，灰分≤0.30%，粒径为-400目。
8.根据权利要求3所述的一种石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷，其特征在于：所述炭黑的纯度为95.5%，粒径为-420目。
9.根据权利要求3所述的一种石墨烯-纳米碳纤维增强铜基石墨电机碳刷，其特征在于：所述纳米碳纤维的粒径为-500目、体积密度≥2.12g/cm3、抗拉强度7.0Gpa、电阻率≤10μΩ·m。
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