CN116505341A - 一种耐磨碳刷材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐磨碳刷材料及其制备方法，本发明将二硫化钼和预处理碳化硅在高速剪切分散机中进行剥离和组装，通过高速剪切，将二硫化钼剥离成纳米片，并与经表面处理后的碳化硅进行组装，得到复合粉体，再将复合粉体与EDTA‑Cu络合物进行混合，接着在还原气氛中煅烧，得到碳化硅复合材料，碳化硅复合材料中二硫化钨的润滑性能和碳化硅的硬质磨削性能相互结合，大幅提升了碳刷材料的耐磨性；并且将铜附着在复合粉体上，改善了二硫化钼‑碳化硅复合粉体的导电性能，进而提高了碳刷材料的导电性；通过在金刚石的表面形成碳包覆，改善了金刚石的导电性，改性金刚石与碳化硅复合材料相互作用，共同提高了碳刷材料的导电性和耐磨性。
Description
技术领域
本发明涉及碳刷材料技术领域，具体涉及一种耐磨碳刷材料及其制备方法。
背景技术
碳刷是电机的重要组成部件，它的功能是在电机的固定部件与旋转部件换向器或集电环之间传导电流，其性能好坏直接影响电机的正常运行。与普通机械摩擦磨损相比，碳刷材料在电机运行过程中存在多种机械摩擦磨损机理，同时伴随着电弧烧蚀电磨损。汽车起动电机磨损条件复杂，要求碳刷材料具有大的载流能力、优良的换向性能和滑动接触性能，而常规的碳刷在高密度载流条件下会出现磨损加剧和严重的电弧烧蚀等现象，无法满足使用要求。
目前大部分碳刷一般由石墨、金属材料、树脂胶黏剂以及其他助剂，经过烧结成型制成；尽管石墨具有良好的耐磨性，但在实际使用中，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。目前提高碳刷材料的综合性能主要通过基体合金化、对石墨进行表面处理和加入适量添加物这三种方式进行的，例如中国专利文献CN201710153401.4公开了一种汽车起动机碳刷材料及其制备方法，通过引入羰基铁粉对基体进行强化，选用不同粒度微细石墨和胶质石墨进行匹配改善了石墨分布的均匀性以及石墨与基体的界面结合能力，并配合特定的制备工艺，得到了具有良好导电性和耐磨性的碳刷材料，该碳刷同时具有良好的导热性能、力学性能，提高了碳刷的使用寿命，但所制备得到的碳刷材料硬度不够，仍需要进一步进行改进。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种耐磨碳刷材料及其制备方法，解决现有的碳刷材料耐磨性以及导电性能不佳的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种耐磨碳刷材料，以重量份计，由如下组分的原料所组成：鳞片石墨粉40-50份、膨胀石墨10-20份、沥青粉5-10份、铜粉3-6份、碳化硅复合材料3-5份、羧甲基纤维素1-2份、改性金刚石0.4-0.6份。
优选的，所述碳化硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳化硅加入到硝酸溶液中，加热处理，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理碳化硅；
(2)将预处理碳化硅分散在去离子水中，然后向其中加入二硫化钼粉末，用高速剪切分散机剪切混合，然后将得到的悬浊液静置，除去底部的固体沉淀物，将上层悬浊液冷冻干燥，得到复合粉体；
(3)将硝酸铜和EDTA加入到去离子水中，搅拌2-3h，得到胶体溶液，然后向其中加入步骤(2)得到的复合粉体，搅拌混合均匀后离心、干燥，将得到的混合物在还原气氛中煅烧，得到碳化硅复合材料。
优选的，步骤(1)中，加热处理温度为80-90℃，加热处理时间为3-5h。
优选的，步骤(2)中，预处理碳化硅、去离子水和二硫化钼粉末的质量比为4-6:100-150:3-5。
优选的，步骤(2)中，剪切剥离转速为4000-6000rpm，剥离时间为2-3h。
优选的，步骤(3)中，硝酸铜、EDTA、去离子水和复合粉体的质量比为20-30:15-25:250-300:10-20。
优选的，步骤(3)中，煅烧温度为300-400℃，煅烧时间为1-2h。
优选的，改性金刚石的制备方法，包括如下步骤：将碱木质素加入到去离子水中，搅拌均匀，然后向其中加入金刚石粉，搅拌混合均匀，冷冻干燥，在氮气气氛、500-600℃下煅烧2-3h，即得到改性金刚石。
优选的，碱木质素、去离子水和金刚石粉的质量比为3-5:20-30:1。
本发明还提供上述耐磨碳刷材料的制备方法，包括如下步骤：按重量份将各原料投入混合机中混合均匀，在60-80℃下搅拌1-2h，然后进行粉碎，所得粉体过200目筛，得到微粉，将得到的微粉在模具中压制，脱模后得到毛胚，然后在800-850℃下烧结30-60min，在160-180MPa的压力下压制成型，即得到耐磨碳刷材料。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明将二硫化钼和预处理碳化硅在高速剪切分散机中进行剥离和组装，通过高速剪切，将二硫化钼剥离成纳米片，并与经表面处理后的碳化硅进行组装，得到复合粉体，再将复合粉体与EDTA-Cu络合物进行混合，接着在还原气氛中煅烧，得到碳化硅复合材料，碳化硅复合材料中二硫化钨的润滑性能和碳化硅的硬质磨削性能相互结合，大幅提升了碳刷材料的耐磨性；并且将铜附着在复合粉体上，改善了二硫化钼-碳化硅复合粉体的导电性能，进而提高了碳刷材料的导电性。
(2)金刚石具有比较高的强度和硬度，但导电性能差，本发明将碱木质素溶液与金刚石进行共混，冷冻干燥后进行煅烧，在金刚石的表面形成碳包覆，改善了金刚石的导电性，同时提高了金刚石材料的活性，避免了换向器表面不会因金刚石的质硬及分布不均匀而损坏，同时，换向性能更稳定，换向电流也不会产生大的波动，电机工作稳定性和整流特性会更好，效率更高，碳刷摩擦损耗率更小；改性金刚石与碳化硅复合材料相互作用，共同提高了碳刷材料的导电性和耐磨性。
具体实施方式
以下通过具体较佳实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不仅限于以下的实施例。
需要说明的是，无特殊说明外，本发明中涉及到的化学试剂均通过商业渠道购买。
本发明中所使用的鳞片石墨粉的规格为325目；
膨胀石墨的规格为200目；
沥青粉的规格为200-250目；
铜粉的规格为325目，纯度为99.5％；
碳化硅的规格为2000目；
二硫化钼的规格为2500-3000目；
羧甲基纤维素购自山东正阳新型材料科技有限公司；
金刚石粉的规格为1800-2000目。
实施例1
一种耐磨碳刷材料的制备方法，包括如下步骤：
将400g鳞片石墨粉、100g膨胀石墨、50g沥青粉、30g铜粉、30g碳化硅复合材料、10g羧甲基纤维素和4g改性金刚石投入混合机中混合均匀，在60℃下搅拌1h，然后进行粉碎，所得粉体过200目筛，得到微粉，将得到的微粉在模具中压制，脱模后得到毛胚，然后在800℃下烧结30min，在160MPa的压力下压制成型，即得到耐磨碳刷材料；
其中，碳化硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将10g碳化硅加入到200mL，65wt％的硝酸溶液中，在80℃下加热处理5h，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理碳化硅；
(2)将4g预处理碳化硅分散在100g去离子水中，然后向其中加入3g二硫化钼粉末，用高速剪切分散机剪切混合，剪切剥离转速为4000rpm，剥离时间为3h，然后将得到的悬浊液静置，除去底部的固体沉淀物，将上层悬浊液冷冻干燥，得到复合粉体；
(3)将20g硝酸铜和15gEDTA加入到250g去离子水中，搅拌2h，得到胶体溶液，然后向其中加入10g复合粉体，搅拌混合均匀后离心、干燥，将得到的混合物在氢气气氛中煅烧，煅烧温度为300℃，煅烧时间为2h，得到碳化硅复合材料；
改性金刚石的制备方法如下：将3g碱木质素加入到20g去离子水中，搅拌均匀，然后向其中加入1g金刚石粉，搅拌混合均匀，冷冻干燥，在氮气气氛、500℃下煅烧3h，即得到改性金刚石。
实施例2
一种耐磨碳刷材料的制备方法，包括如下步骤：
将500g鳞片石墨粉、200g膨胀石墨、100g沥青粉、60g铜粉、50g碳化硅复合材料、20g羧甲基纤维素和6g改性金刚石投入混合机中混合均匀，在80℃下搅拌2h，然后进行粉碎，所得粉体过200目筛，得到微粉，将得到的微粉在模具中压制，脱模后得到毛胚，然后在850℃下烧结60min，在180MPa的压力下压制成型，即得到耐磨碳刷材料；
其中，碳化硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将10g碳化硅加入到200mL，65wt％的硝酸溶液中，在90℃下加热处理3h，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理碳化硅；
(2)将6g预处理碳化硅分散在150g去离子水中，然后向其中加入5g二硫化钼粉末，用高速剪切分散机剪切混合，剪切剥离转速为6000rpm，剥离时间为2h，然后将得到的悬浊液静置，除去底部的固体沉淀物，将上层悬浊液冷冻干燥，得到复合粉体；
(3)将30g硝酸铜和25gEDTA加入到300g去离子水中，搅拌2h，得到胶体溶液，然后向其中加入20g复合粉体，搅拌混合均匀后离心、干燥，将得到的混合物在氢气气氛中煅烧，煅烧温度为400℃，煅烧时间为1h，得到碳化硅复合材料；
改性金刚石的制备方法如下：将5g碱木质素加入到30g去离子水中，搅拌均匀，然后向其中加入1g金刚石粉，搅拌混合均匀，冷冻干燥，在氮气气氛、600℃下煅烧3h，即得到改性金刚石。
实施例3
一种耐磨碳刷材料的制备方法，包括如下步骤：
将450g鳞片石墨粉、160g膨胀石墨、80g沥青粉、40g铜粉、40g碳化硅复合材料、15g羧甲基纤维素和5g改性金刚石投入混合机中混合均匀，在80℃下搅拌1h，然后进行粉碎，所得粉体过200目筛，得到微粉，将得到的微粉在模具中压制，脱模后得到毛胚，然后在850℃下烧结45min，在180MPa的压力下压制成型，即得到耐磨碳刷材料；
其中，碳化硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将10g碳化硅加入到200mL，65wt％的硝酸溶液中，在90℃下加热处理5h，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理碳化硅；
(2)将5g预处理碳化硅分散在150g去离子水中，然后向其中加入5g二硫化钼粉末，用高速剪切分散机剪切混合，剪切剥离转速为6000rpm，剥离时间为3h，然后将得到的悬浊液静置，除去底部的固体沉淀物，将上层悬浊液冷冻干燥，得到复合粉体；
(3)将25g硝酸铜和20gEDTA加入到300g去离子水中，搅拌2h，得到胶体溶液，然后向其中加入15g复合粉体，搅拌混合均匀后离心、干燥，将得到的混合物在氢气气氛中煅烧，煅烧温度为350℃，煅烧时间为2h，得到碳化硅复合材料；
改性金刚石的制备方法如下：将4g碱木质素加入到30g去离子水中，搅拌均匀，然后向其中加入1g金刚石粉，搅拌混合均匀，冷冻干燥，在氮气气氛、600℃下煅烧2h，即得到改性金刚石。
对比例1
一种耐磨碳刷材料的制备方法，包括如下步骤：
将450g鳞片石墨粉、160g膨胀石墨、80g沥青粉、40g铜粉、20g碳化硅、20g二硫化钼、15g羧甲基纤维素和5g金刚石粉投入混合机中混合均匀，在80℃下搅拌1h，然后进行粉碎，所得粉体过200目筛，得到微粉，将得到的微粉在模具中压制，脱模后得到毛胚，然后在850℃下烧结45min，在180MPa的压力下压制成型，即得到耐磨碳刷材料。
对比例2
一种耐磨碳刷材料的制备方法，包括如下步骤：
将450g鳞片石墨粉、160g膨胀石墨、80g沥青粉、40g铜粉、40g碳化硅复合材料、15g羧甲基纤维素和5g改性金刚石投入混合机中混合均匀，在80℃下搅拌1h，然后进行粉碎，所得粉体过200目筛，得到微粉，将得到的微粉在模具中压制，脱模后得到毛胚，然后在850℃下烧结45min，在180MPa的压力下压制成型，即得到耐磨碳刷材料；
其中，碳化硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将10g碳化硅加入到200mL，65wt％的硝酸溶液中，在90℃下加热处理5h，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理碳化硅；
(2)将5g预处理碳化硅分散在150g去离子水中，然后向其中加入5g二硫化钼粉末，用高速剪切分散机剪切混合，剪切剥离转速为6000rpm，剥离时间为3h，然后将得到的悬浊液静置，除去底部的固体沉淀物，将上层悬浊液冷冻干燥，得到碳化硅复合材料；
改性金刚石的制备方法如下：将4g碱木质素加入到30g去离子水中，搅拌均匀，然后向其中加入1g金刚石粉，搅拌混合均匀，冷冻干燥，在氮气气氛、600℃下煅烧2h，即得到改性金刚石。
对比例3
一种耐磨碳刷材料的制备方法，包括如下步骤：
将450g鳞片石墨粉、160g膨胀石墨、80g沥青粉、40g铜粉、40g碳化硅复合材料、15g羧甲基纤维素和5g金刚石投入混合机中混合均匀，在80℃下搅拌1h，然后进行粉碎，所得粉体过200目筛，得到微粉，将得到的微粉在模具中压制，脱模后得到毛胚，然后在850℃下烧结45min，在180MPa的压力下压制成型，即得到耐磨碳刷材料；
其中，碳化硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将10g碳化硅加入到200mL，65wt％的硝酸溶液中，在90℃下加热处理5h，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理碳化硅；
(2)将5g预处理碳化硅分散在150g去离子水中，然后向其中加入5g二硫化钼粉末，用高速剪切分散机剪切混合，剪切剥离转速为6000rpm，剥离时间为3h，然后将得到的悬浊液静置，除去底部的固体沉淀物，将上层悬浊液冷冻干燥，得到复合粉体；
(3)将25g硝酸铜和20gEDTA加入到300g去离子水中，搅拌2h，得到胶体溶液，然后向其中加入15g复合粉体，搅拌混合均匀后离心、干燥，将得到的混合物在氢气气氛中煅烧，煅烧温度为350℃，煅烧时间为2h，得到碳化硅复合材料。
将实施例1-3和对比例1-3所制备的样品进行性能测试，具体如下：
电阻率测试：按照JB/T8133.2-2013标准进行测试；
洛氏硬度测试：按照JB/T8133.3-2013标准进行测试；
电摩擦实验：采用电机转子与碳刷对磨，碳刷通过电流密度67A/cm2，接触压强0.23MPa，转子旋转速度1000r/min，连续对磨100小时后测量碳刷的长度尺寸磨损量，测试结果如下表所示：
最后需要说明的是：以上实施例不以任何形式限制本发明。对本领域技术人员来说，在本发明基础上，可以对其作一些修改和改进。因此，凡在不偏离本发明精神的基础上所做的任何修改或改进，均属于本发明要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种耐磨碳刷材料，其特征在于，以重量份计，由如下组分的原料所组成：鳞片石墨粉40-50份、膨胀石墨10-20份、沥青粉5-10份、铜粉3-6份、碳化硅复合材料3-5份、羧甲基纤维素1-2份、改性金刚石0.4-0.6份。
2.根据权利要求1所述的耐磨碳刷材料，其特征在于，所述碳化硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳化硅加入到硝酸溶液中，加热处理，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理碳化硅；
(2)将预处理碳化硅分散在去离子水中，然后向其中加入二硫化钼粉末，用高速剪切分散机剪切混合，然后将得到的悬浊液静置，除去底部的固体沉淀物，将上层悬浊液冷冻干燥，得到复合粉体；
(3)将硝酸铜和EDTA加入到去离子水中，搅拌2-3h，得到胶体溶液，然后向其中加入步骤(2)得到的复合粉体，搅拌混合均匀后离心、干燥，将得到的混合物在还原气氛中煅烧，得到碳化硅复合材料。
3.根据权利要求2所述的耐磨碳刷材料，其特征在于，步骤(1)中，加热处理温度为80-90℃，加热处理时间为3-5h。
4.根据权利要求2所述的耐磨碳刷材料，其特征在于，步骤(2)中，预处理碳化硅、去离子水和二硫化钼粉末的质量比为4-6:100-150:3-5。
5.根据权利要求2所述的耐磨碳刷材料，其特征在于，步骤(2)中，剪切剥离转速为4000-6000rpm，剥离时间为2-3h。
6.根据权利要求2所述的耐磨碳刷材料，其特征在于，步骤(3)中，硝酸铜、EDTA、去离子水和复合粉体的质量比为20-30:15-25:250-300:10-20。
7.根据权利要求2所述的耐磨碳刷材料，其特征在于，步骤(3)中，煅烧温度为300-400℃，煅烧时间为1-2h。
8.根据权利要求1所述的耐磨碳刷材料，其特征在于，改性金刚石的制备方法，包括如下步骤：将碱木质素加入到去离子水中，搅拌均匀，然后向其中加入金刚石粉，搅拌混合均匀，冷冻干燥，在氮气气氛、500-600℃下煅烧2-3h，即得到改性金刚石。
9.根据权利要求8所述的耐磨碳刷材料，其特征在于，碱木质素、去离子水和金刚石粉的质量比为3-5:20-30:1。
10.如权利要求1-9任一项所述耐磨碳刷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：按重量份将各原料投入混合机中混合均匀，在60-80℃下搅拌1-2h，然后进行粉碎，所得粉体过200目筛，得到微粉，将得到的微粉在模具中压制，脱模后得到毛胚，然后在800-850℃下烧结30-60min，在160-180MPa的压力下压制成型，即得到耐磨碳刷材料。
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