CN110483047B - 一种斗轮机用的耐磨碳刷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种斗轮机用耐磨碳刷材料，其特征在于，由如下重量份的原料制成：二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯10‑20份、石墨粉40‑60份、Nb‑Y‑Sr‑Cu 10‑20份、Cu‑Sb‑S纳米晶体1‑3份、N‑三甲氧基硅丙基‑N,N,N‑三甲基氯化铵0.2‑0.5份、超支化聚氨酯8‑12份、羧甲基壳聚糖1‑3份、氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石3‑6份。本发明还公开了所述斗轮机用耐磨碳刷材料的制备方法。本发明公开的斗轮机用耐磨碳刷材料耐磨性好，导电性高，制备成本低，能有效降低碳刷工作时的火花，延长碳刷材料的使用寿命。

Description

一种斗轮机用的耐磨碳刷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及碳刷材料技术领域，尤其涉及一种斗轮机用的耐磨碳刷材料及其制备方法。
背景技术
斗轮堆取料机是一种应用于大型散货港口、火力发电厂、大型土方工程、钢厂、水泥厂等地，进行煤炭、焦炭、矿石、食盐等物料的堆取的重型设备。电动机是斗轮机动力系统的重要组成部分，而碳刷是电动机中固定部分和转动部分之间传递能量和信号的一类摩擦装置，是电动机的重要组成部件，是一种石墨和胶黏剂的混合体，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，并要求其具有一定的机械强度和换向性火花的本能。
耐磨性是碳刷材料性能的一个重要指标，发展耐磨性能优异的碳刷材料是保障整个设备的使用性能和延长使用寿命的必要条件。因为尽管碳刷材料的主要制备原料石墨具有良好的耐磨性，但在实际使用过程中，存在易磨损的问题，难以克服，如果不提高碳刷的耐磨损性能，必将严重影响到整个设备的使用性能和使用寿命。
授权公告号为CN103701004B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。
因此，开发一种耐磨性好，导电性高，制备成本低的斗轮机用耐磨碳刷材料显得尤为重要。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种斗轮机用耐磨碳刷材料，该碳刷材料耐磨性好，导电性高，制备成本低，能有效降低碳刷工作时的火花，延长碳刷材料的使用寿命。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种斗轮机用耐磨碳刷材料，由如下重量份的原料制成：二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯10-20份、石墨粉40-60份、Nb-Y-Sr-Cu 10-20份、Cu-Sb-S纳米晶体1-3份、N-三甲氧基硅丙基-N,N,N-三甲基氯化铵0.2-0.5份、超支化聚氨酯8-12份、羧甲基壳聚糖1-3份、氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石3-6份。
进一步地，所述二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯的制备方法，包括如下步骤：将二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯、氧化石墨烯加入乙醇中，在60-80℃下搅拌反应3-5小时，后旋蒸除去乙醇，得到二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯。
优选地，所述二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯、氧化石墨烯、乙醇的质量比为0.2:(3-5):(10-15)。
进一步地，所述Nb-Y-Sr-Cu 的制备方法，包括如下步骤：将Nb、Y、Sr、Cu混合，后置于中频真空感应熔炼炉进行熔炼，得到Nb-Y-Sr-Cu，后依次经过氢破法破碎、气流磨粉化为平均粒径为5~10μm的合金粉，其中，熔炼过程中，热处理温度为1100℃～1200℃，烧结时间为2～4小时。
优选地，所述Nb、Y、Sr、Cu的质量比为(1-2):(0.05-0.1):(0.1-0.2):(70-80)。
进一步地，所述氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石的制备方法，包括如下步骤：将金刚石粉分散于质量分数为20-30%的氟硼酸铵的水溶液中，在60-80℃下搅拌4-6小时，后离心，干燥，最后在氮气氛围下500-600℃下煅烧得到氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石；所述金刚石粉、氟硼酸铵的水溶液的质量比1:(20-30)。
进一步地，所述耐磨碳刷材料的制备方法，包括如下步骤：将各原料投入混合机中混合均匀后，在70-90℃下搅拌1-2小时，后投入粉碎机中回流粉碎，所得粉体过100-200目筛，制得微粉，最后将所述微粉带线压制成型，成型后的产品送入烧结炉中进行高温高压烧结，烧结结束后经冷却、打孔、磨面、埋线和磨弧制成所述耐磨碳刷材料。
根据本发明的一实施例，所述高温高压烧结为真空热压烧结或放电等离子体烧结，腔体真空度为25～35Pa，烧结温度为1100～1300℃，压强为18～25MPa，烧结时间为3~5小时。
更进一步的，所述的一种斗轮机用耐磨碳刷材料还可用于汽车、轮船、挖掘机等的动力系统中。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
（1）本发明提供的一种斗轮机用耐磨碳刷材料，制备方法简单易行，原料来源丰富，适合高档产品对碳刷材料的使用要求，推广应用价值高。
（2）本发明提供的一种斗轮机用耐磨碳刷材料，克服了传统石墨类碳刷在实际使用过程中，存在易磨损的问题，难以克服，如果不提高碳刷的耐磨损性能，必将严重影响到整个设备的使用性能和使用寿命的技术缺陷，具有耐磨性好，导电性高，制备成本低，能有效降低碳刷工作时的火花，延长碳刷材料的使用寿命。
（3）本发明提供的一种斗轮机用耐磨碳刷材料，添加氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石，金刚石的引入能提高碳刷材料的强度和硬度，通过表面碳包覆，能改善金刚石的导电性，通过氮氟硼共掺杂，能提高材料的活性，进一步提高其导电性；Cu-Sb-S纳米晶体的加入能改善碳刷材料的耐磨性，使得碳刷工作时在换向器表面形成的碳皮膜被其削除；二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯、石墨粉、Nb-Y-Sr-Cu协同作用，能够改善碳刷材料的导电性，各原料协同作用，减少了金属含量，有效避免电流过大时，产生电火花过大的问题；Nb、Y、Sr元素的加入能改善导电性；(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯，有利于氧化石墨烯的分散及其与其他原料的相容。另外，通过改性，引入有机钛，进一步改善导电性和耐磨性；添加超支化聚氨酯和羧甲基壳聚糖，起到粘结作用，粘结力强，不易脱落，羧甲基壳聚糖上是羧基与偶联剂N-三甲氧基硅丙基-N,N,N-三甲基氯化铵上是铵基发生离子交换反应，生成的氯化氢挥发除去，使得各成分形成有机整体。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的以及优点更加清晰易懂，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明下述实施例中所涉及到的原料均为商业购买。
实施例1
一种斗轮机用耐磨碳刷材料，由如下重量份的原料制成：二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯10份、石墨粉40份、Nb-Y-Sr-Cu 10份、Cu-Sb-S纳米晶体1份、N-三甲氧基硅丙基-N,N,N-三甲基氯化铵0.2份、超支化聚氨酯8份、羧甲基壳聚糖1份、氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石3份。
所述二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯的制备方法，包括如下步骤：将二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯2g、氧化石墨烯30g加入乙醇100g中，在60℃下搅拌反应3小时，后旋蒸除去乙醇，得到二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯。
所述Nb-Y-Sr-Cu 的制备方法，包括如下步骤：将Nb 10g、Y 0.5g、Sr 1g、Cu 700g混合，后置于中频真空感应熔炼炉进行熔炼，得到Nb-Y-Sr-Cu，后依次经过氢破法破碎、气流磨粉化为平均粒径为5μm的合金粉，其中，熔炼过程中，热处理温度为1100℃，烧结时间为2小时。
所述氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石的制备方法，包括如下步骤：将金刚石粉10g分散于质量分数为20%的氟硼酸铵的水溶液200g中，在60℃下搅拌4小时，后离心，干燥，最后在氮气氛围下500℃下煅烧得到氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石。
所述耐磨碳刷材料的制备方法，包括如下步骤：将各原料投入混合机中混合均匀后，在70℃下搅拌1小时，后投入粉碎机中回流粉碎，所得粉体过100目筛，制得微粉，最后将所述微粉带线压制成型，成型后的产品送入烧结炉中进行高温高压烧结，烧结结束后经冷却、打孔、磨面、埋线和磨弧制成所述耐磨碳刷材料；所述高温高压烧结为真空热压烧结，腔体真空度为25Pa，烧结温度为1100℃，压强为18MPa，烧结时间为3小时。
实施例2
一种斗轮机用耐磨碳刷材料，由如下重量份的原料制成：二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯12份、石墨粉45份、Nb-Y-Sr-Cu 12份、Cu-Sb-S纳米晶体1.5份、N-三甲氧基硅丙基-N,N,N-三甲基氯化铵0.3份、超支化聚氨酯9份、羧甲基壳聚糖1.5份、氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石4份。
所述二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯的制备方法，包括如下步骤：将二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯2g、氧化石墨烯35g加入乙醇110g中，在65℃下搅拌反应3.5小时，后旋蒸除去乙醇，得到二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯。
所述Nb-Y-Sr-Cu 的制备方法，包括如下步骤：将Nb 13g、Y 0.7g、Sr 1.3g、Cu730g混合，后置于中频真空感应熔炼炉进行熔炼，得到Nb-Y-Sr-Cu，后依次经过氢破法破碎、气流磨粉化为平均粒径为7μm的合金粉，其中，熔炼过程中，热处理温度为1130℃，烧结时间为2.5小时。
所述氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石的制备方法，包括如下步骤：将金刚石粉10g分散于质量分数为23%的氟硼酸铵的水溶液230g中，在65℃下搅拌4.5小时，后离心，干燥，最后在氮气氛围下530℃下煅烧得到氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石。
所述耐磨碳刷材料的制备方法，包括如下步骤：将各原料投入混合机中混合均匀后，在75℃下搅拌1.3小时，后投入粉碎机中回流粉碎，所得粉体过130目筛，制得微粉，最后将所述微粉带线压制成型，成型后的产品送入烧结炉中进行高温高压烧结，烧结结束后经冷却、打孔、磨面、埋线和磨弧制成所述耐磨碳刷材料；所述高温高压烧结为放电等离子体烧结，腔体真空度为27Pa，烧结温度为1150℃，压强为19MPa，烧结时间为3.5小时。
实施例3
一种斗轮机用耐磨碳刷材料，由如下重量份的原料制成：二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯15份、石墨粉50份、Nb-Y-Sr-Cu 15份、Cu-Sb-S纳米晶体2份、N-三甲氧基硅丙基-N,N,N-三甲基氯化铵0.35份、超支化聚氨酯10份、羧甲基壳聚糖2份、氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石4.5份。
所述二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯的制备方法，包括如下步骤：将二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯2g、氧化石墨烯40g加入乙醇130g中，在70℃下搅拌反应4小时，后旋蒸除去乙醇，得到二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯。
所述Nb-Y-Sr-Cu 的制备方法，包括如下步骤：将Nb 15g、Y 0.8g、Sr 1.5g、Cu750g混合，后置于中频真空感应熔炼炉进行熔炼，得到Nb-Y-Sr-Cu，后依次经过氢破法破碎、气流磨粉化为平均粒径为7.5μm的合金粉，其中，熔炼过程中，热处理温度为1150℃，烧结时间为3小时。
所述氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石的制备方法，包括如下步骤：将金刚石粉10g分散于质量分数为25%的氟硼酸铵的水溶液250g中，在70℃下搅拌5小时，后离心，干燥，最后在氮气氛围下550℃下煅烧得到氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石。
所述耐磨碳刷材料的制备方法，包括如下步骤：将各原料投入混合机中混合均匀后，在80℃下搅拌1.5小时，后投入粉碎机中回流粉碎，所得粉体过150目筛，制得微粉，最后将所述微粉带线压制成型，成型后的产品送入烧结炉中进行高温高压烧结，烧结结束后经冷却、打孔、磨面、埋线和磨弧制成所述耐磨碳刷材料；所述高温高压烧结为真空热压烧结，腔体真空度为29Pa，烧结温度为1200℃，压强为21MPa，烧结时间为4小时。
实施例4
一种斗轮机用耐磨碳刷材料，由如下重量份的原料制成：二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯18份、石墨粉55份、Nb-Y-Sr-Cu 18份、Cu-Sb-S纳米晶体2.5份、N-三甲氧基硅丙基-N,N,N-三甲基氯化铵0.45份、超支化聚氨酯11份、羧甲基壳聚糖2.5份、氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石5.5份。
所述二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯的制备方法，包括如下步骤：将二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯2g、氧化石墨烯45g加入乙醇140g中，在75℃下搅拌反应4.5小时，后旋蒸除去乙醇，得到二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯。
所述Nb-Y-Sr-Cu 的制备方法，包括如下步骤：将Nb 19g、Y 0.9g、Sr 1.9g、Cu785g混合，后置于中频真空感应熔炼炉进行熔炼，得到Nb-Y-Sr-Cu，后依次经过氢破法破碎、气流磨粉化为平均粒径为9μm的合金粉，其中，熔炼过程中，热处理温度为1190℃，烧结时间为3.8小时。
所述氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石的制备方法，包括如下步骤：将金刚石粉10g分散于质量分数为28%的氟硼酸铵的水溶液290g中，在78℃下搅拌5.8小时，后离心，干燥，最后在氮气氛围下590℃下煅烧得到氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石。
所述耐磨碳刷材料的制备方法，包括如下步骤：将各原料投入混合机中混合均匀后，在88℃下搅拌1.9小时，后投入粉碎机中回流粉碎，所得粉体过190目筛，制得微粉，最后将所述微粉带线压制成型，成型后的产品送入烧结炉中进行高温高压烧结，烧结结束后经冷却、打孔、磨面、埋线和磨弧制成所述耐磨碳刷材料；所述高温高压烧结为放电等离子体烧结，腔体真空度为33Pa，烧结温度为1250℃，压强为24MPa，烧结时间为4.5小时。
实施例5
一种斗轮机用耐磨碳刷材料，由如下重量份的原料制成：二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯20份、石墨粉60份、Nb-Y-Sr-Cu 20份、Cu-Sb-S纳米晶体3份、N-三甲氧基硅丙基-N,N,N-三甲基氯化铵0.5份、超支化聚氨酯12份、羧甲基壳聚糖3份、氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石6份。
所述二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯的制备方法，包括如下步骤：将二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯2g、氧化石墨烯50g加入乙醇150g中，在80℃下搅拌反应5小时，后旋蒸除去乙醇，得到二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯。
所述Nb-Y-Sr-Cu 的制备方法，包括如下步骤：将Nb 20g、Y 1g、Sr 2g、Cu 800g混合，后置于中频真空感应熔炼炉进行熔炼，得到Nb-Y-Sr-Cu，后依次经过氢破法破碎、气流磨粉化为平均粒径为10μm的合金粉，其中，熔炼过程中，热处理温度为1200℃，烧结时间为4小时。
所述氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石的制备方法，包括如下步骤：将金刚石粉10g分散于质量分数为30%的氟硼酸铵的水溶液300g中，在80℃下搅拌6小时，后离心，干燥，最后在氮气氛围下600℃下煅烧得到氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石。
所述耐磨碳刷材料的制备方法，包括如下步骤：将各原料投入混合机中混合均匀后，在90℃下搅拌2小时，后投入粉碎机中回流粉碎，所得粉体过200目筛，制得微粉，最后将所述微粉带线压制成型，成型后的产品送入烧结炉中进行高温高压烧结，烧结结束后经冷却、打孔、磨面、埋线和磨弧制成所述耐磨碳刷材料；所述高温高压烧结为真空热压烧结，腔体真空度为35Pa，烧结温度为1300℃，压强为25MPa，烧结时间为5小时。
对比例1
一种斗轮机用耐磨碳刷材料，与实施例1的配方和制备方法基本相同，不同的是没有添加二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯。
对比例2
一种斗轮机用耐磨碳刷材料，与实施例1的配方和制备方法基本相同，不同的是用Cu代替Nb-Y-Sr-Cu。
对比例3
一种斗轮机用耐磨碳刷材料，与实施例1的配方和制备方法基本相同，不同的是没有添加Cu-Sb-S纳米晶体。
对比例4
一种斗轮机用耐磨碳刷材料，与实施例1的配方和制备方法基本相同，不同的是没有添加羧甲基壳聚糖。
对比例5
一种斗轮机用耐磨碳刷材料，与实施例1的配方和制备方法基本相同，不同的是没有添加N-三甲氧基硅丙基-N,N,N-三甲基氯化铵。
对比例6
一种斗轮机用耐磨碳刷材料，与实施例1的配方和制备方法基本相同，不同的是用金刚石代替氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石。
对比例7
一种斗轮机用耐磨碳刷材料，与实施例1的配方和制备方法基本相同，不同的是没有添加氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石。
对比例8
市售碳刷材料。
实施例样品和对比例样品物理性能测试如下，测试条件：室温；测试方法：1、按JB/TB133.2-1999 进行电阻率试验；2、按 JB/T8133.14-1999 进行体积密度试验；3、按JB/T8133.3-1999 进行洛氏硬度试验；4、按GB/T 12444.1-1990进行磨损量试验，测试结果如表1所示。
表1样品碳刷材料物理性能检测结果
Figure 73707DEST_PATH_IMAGE001
从表1中数据可知，本发明实施例公开的斗轮机用耐磨碳刷材料具有更高的导电率，更大的硬度和更优异的耐磨性能，这是各原料协同作用的结果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种斗轮机用耐磨碳刷材料，其特征在于，由如下重量份的原料制成：二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯10-20份、石墨粉40-60份、Nb-Y-Sr-Cu 10-20份、Cu-Sb-S纳米晶体1-3份、N-三甲氧基硅丙基-N,N,N-三甲基氯化铵0.2-0.5份、超支化聚氨酯8-12份、羧甲基壳聚糖1-3份、氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石3-6份；
所述二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯的制备方法，包括如下步骤：将二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯、氧化石墨烯加入乙醇中，在60-80℃下搅拌反应3-5小时，后旋蒸除去乙醇，得到二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯改性氧化石墨烯；所述二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯、氧化石墨烯、乙醇的质量比为0.2:(3-5):(10-15)；
所述Nb-Y-Sr-Cu 的制备方法，包括如下步骤：将Nb、Y、Sr、Cu混合，后置于中频真空感应熔炼炉进行熔炼，得到Nb-Y-Sr-Cu，后依次经过氢破法破碎、气流磨粉化为平均粒径为5~10μm的合金粉；其中，熔炼过程中的热处理温度为1100℃～1200℃，烧结时间为2～4小时；所述Nb、Y、Sr、Cu的质量比为(1-2):(0.05-0.1):(0.1-0.2):(70-80)；
所述氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石的制备方法，包括如下步骤：将金刚石粉分散于质量分数为20-30%的氟硼酸铵的水溶液中，在60-80℃下搅拌4-6小时，后离心，干燥，最后在氮气氛围下500-600℃下煅烧得到氮氟硼共掺杂碳包覆金刚石；所述金刚石粉、氟硼酸铵的水溶液的质量比1:(20-30)。
2.一种如权利要求1所述的一种斗轮机用耐磨碳刷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将各原料投入混合机中混合均匀后，在70-90℃下搅拌1-2小时，后投入粉碎机中回流粉碎，所得粉体过100-200目筛，制得微粉，最后将所述微粉带线压制成型，成型后的产品送入烧结炉中进行高温高压烧结，烧结结束后经冷却、打孔、磨面、埋线和磨弧制成所述耐磨碳刷材料。
3.根据权利要求2所述的一种斗轮机用耐磨碳刷材料的制备方法，其特征在于，所述高温高压烧结为真空热压烧结或放电等离子体烧结，腔体真空度为25～35Pa，烧结温度为1100～1300℃，压强为18～25MPa，烧结时间为3~5小时。
4.一种如权利要求1所述的一种斗轮机用耐磨碳刷材料的应用方法，其特征在于，所述耐磨碳刷材料用于斗轮机、汽车、轮船、挖掘机的动力系统中。
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