CN117226090A - 一种高硬度耐磨碳刷材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高硬度耐磨碳刷材料及其制备方法，铜粉45‑65份、改性鳞片石墨粉35‑55份、改性碳化硼15‑25份、沥青粉10‑20份、硫粉1‑4份。该高硬度耐磨碳刷材料，通过各原料之间的相互配合，在保证了碳刷材料导电性的同时，提高了碳刷材料的耐磨性，并且改性碳化硼与改性鳞片石墨相互协同作用，共同提高了碳刷材料的硬度、导电性和耐磨性，提高了碳刷的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于碳刷材料技术领域，具体涉及一种高硬度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。所以，当前迫切需要研究开发长寿命的高性能碳刷材料以满足汽车起动机的要求。
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。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。
中国专利申请号为201710153401.4公开了一种氧化镧掺杂改性的铜基石墨电机碳刷及其制备方法，该碳刷材料以天然鳞片石墨、多孔碳粉以及铜粉、青铜粉复配作为基料，并加入氧化镧进行改性处理，改善烧结性能。但是其制备的碳刷材料的硬度和抗弯强度仍然不足。此外，对石墨进行镀铜处理在一定程度上弥补了之前的不足，不仅实现了铜与石墨均匀的分布，而且提高了复合材料的导电性、抗弯强度和延展性，但是复合材料的密度降低严重，导致在摩擦磨损过程中没有足够的碳微粒参加润滑膜的形成，不利于换向的稳定性和碳刷材料的寿命。
因此，研发具有高硬度、高耐磨损性、导电性和力学性能好的碳刷材料显得尤为重要。
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高硬度耐磨碳刷材料及其制备方法，该高硬度耐磨碳刷材料具有良好的硬度、耐磨性和导电性，提高了碳刷材料的使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高硬度耐磨碳刷材料，按重量份计，包括以下原料：
铜粉45-65份、改性鳞片石墨粉35-55份、改性碳化硼15-25份、沥青粉10-20份、硫粉1-4份。
优选的，一种高硬度耐磨碳刷材料，按重量份计，包括以下原料：
铜粉50-60份、改性鳞片石墨粉40-50份、改性碳化硼15-20份、沥青粉12-17份、硫粉2-3份。
优选的，所述改性鳞片石墨粉的制备方法，包括以下步骤：
S1、将鳞片石墨粉加入H2O2/H2SO4溶液中，进行搅拌浸渍，浸渍完成后过滤、洗涤、干燥、焙烧，得到固体产物，随后将固体产物加入无水乙醇中，超声处理8-12h，经干燥后得到预处理鳞片石墨；
S2、将步骤S1中的预处理鳞片石墨加入去离子水中，接着加入硼酸、三聚氰胺，进行搅拌反应，反应完成后经抽滤、水洗、干燥，在惰性气体条件下煅烧，煅烧完成后冷却、研磨后，加入含有NaBH4和CaCl2的水溶液中，在20-30℃下搅拌30-40min，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到氮化硼/鳞片石墨复合材料；
S3、将步骤S2中得到的氮化硼/鳞片石墨复合材料加入硅烷偶联剂乙醇溶液中，加热反应，反应完成后过滤、干燥，即得所述改性鳞片石墨粉。
优选的，步骤S1中所述H2O2/H2SO4溶液由体积比2:1的98％浓硫酸与20％H2O2溶液组成，所述搅拌浸渍的温度为20-30℃，时间为0.5-1h，所述焙烧温度为900-1000℃，时间为10-20min。
优选的，步骤S2中所述预处理鳞片石墨、硼酸、三聚氰胺的质量比为20:120-140:120-140，所述搅拌反应的温度为80-90℃，反应时间为5-8h，所述煅烧温度为1200-1300℃，煅烧时间为3-5h，所述水溶液中NaBH4的浓度为15-20g/L，CaCl2的浓度为2-3g/L。
优选的，步骤S3中所述硅烷偶联剂乙醇溶液中硅烷偶联剂的质量分数为4-6％，所述硅烷偶联剂为KH550。
优选的，所述改性碳化硼的制备方法，包括以下步骤：
(a)将碳化硼加入硅烷偶联剂溶液中，进行搅拌反应，反应完成后过滤、干燥，得到预处理碳化硼；
(b)将步骤(a)中的预处理碳化硼加入去离子水中，搅拌均后加入壳聚糖、乙酸溶液，进行恒温反应，反应完成后过滤、洗涤、干燥、煅烧，即得所述改性碳化硼。
优选的，步骤(a)中的所述硅烷偶联剂溶液制备方法如下：将3-6g KH550加入100g体积比为1:1的乙醇水溶液中，常温下搅拌0.5-1h，即得所述硅烷偶联剂溶液；所述搅拌反应的温度为60-70℃，时间为2-3h。
优选的，步骤(b)中所述预处理碳化硼、壳聚糖、乙酸溶液的质量比为10:10-20:20-30；所述乙酸溶液的质量分数为5％；所述恒温反应的温度为70-90℃，时间为2-4h；所述煅烧的温度为600-700℃，时间为3-5h。
本发明还保护一种所述高硬度耐磨碳刷材料的制备方法，包括以下步骤：
按配方将铜粉、改性鳞片石墨粉、改性碳化硼、沥青粉、硫粉投入混合机中搅拌1-2h，得到混合粉末，将得到的混合粉末在模具中压制，脱模后得到毛胚，然后在氨分解气气氛下烧结，烧结工艺为：在10-14h内将高温烧结炉内温升至750-900℃，即得所述高硬度耐磨碳刷材料。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明提供的高硬度耐磨碳刷材料，先将鳞片石墨粉进行处理，通过硫酸和过氧化氢与石墨反应，在石墨片层中插入含氧官能团，然后通过焙烧，使石墨膨胀，再经超声处理，从而得到片状氧化石墨，片状鳞片石墨比普通鳞片石墨具有更大的比表面积大和高扩散性，使得制备得到的碳刷材料可以形成具有易剪切的薄膜层，降低摩擦系数，从而提高材料的耐磨性，接着再将片状石墨与硼酸、三聚氰胺进行反应，使片状石墨表面负载氮化硼，通过原位生成的方法使氮化硼在鳞片石墨中分散更均匀，氮化硼的引入可提高改性鳞片石墨的硬度，使其具有更好的耐磨性，随后将氮化硼/鳞片石墨复合材料进行还原，减少其表面的含氧官能团提高氮化硼/鳞片石墨复合材料的导电性，最后再将硅烷偶联剂对其进行改性，提高改性鳞片石墨粉与沥青粉的粘结性能，从而提高碳刷材料的力学性能。
(2)本发明提供的高硬度耐磨碳刷材料，通过对碳化硼进行改性，碳化硼本身具有高硬度、高熔点、容重小、耐酸碱腐蚀等特点，通过加入硅烷偶联剂对其改性，提高了碳化硼的分散性，同时也在其表面引入氨基，有利于后续反应；随后再将壳聚糖与预处理碳化硼进行反应，使壳聚糖接入碳化硼表面，接着进行煅烧，使壳聚糖形成碳包覆到碳化硼表面，提高了碳化硼的导电性能，通过接枝的方式使生成的碳均匀分布在碳化硼表面，碳刷性能更稳定，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。
(3)本发明提供的高硬度耐磨碳刷材料，通过各原料之间的相互配合，在保证了碳刷材料导电性的同时，提高了碳刷材料的耐磨性，并且改性碳化硼与改性鳞片石墨相互协同作用，共同提高了碳刷材料的硬度、导电性和耐磨性，提高了碳刷的使用寿命。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
所述铜粉的目数为325目，纯度为99.5％；所述鳞片石墨购自的目数为325目；所述氮化硼的目数为2000目；沥青粉的规格为200-250目；所述碳化硼购自康迪斯化工(湖北)有限公司，目数为325目；所述壳聚糖购自武汉吉业升化工有限公司，CAS号为9012-76-4。
实施例1
一种高硬度耐磨碳刷材料的制备方法，包括以下步骤：
将600g铜粉、400g改性鳞片石墨粉、200g改性碳化硅、150g沥青粉、20g硫粉投入混合机中搅拌2h，得到混合粉末，将得到的混合粉末在模具中压制，压制处理的单位压力3.5吨/cm2，脱模后得到毛胚，然后在氨分解气气氛下烧结，烧结工艺为：在12h内将高温烧结炉内温升至850℃，即得所述高硬度耐磨碳刷材料。
其中，所述改性鳞片石墨的制备方法，包括以下步骤：
S1、将100g鳞片石墨粉加入1L H2O2/H2SO4溶液(体积比2:1的98％浓硫酸与质量分数为20％的H2O2溶液组成)中，在25℃下搅拌浸渍1h，浸渍完成后过滤、洗涤、干燥，在氮气气氛、950℃下焙烧15min，得到固体产物，随后将100g固体产物加入1500mL的无水乙醇中，超声处理10h，超声功率为300W，经干燥后得到预处理鳞片石墨；
S2、将步骤S1中的20g预处理鳞片石墨加入300mL去离子水中，接着加入130g硼酸、130g三聚氰胺，在85℃下搅拌反应7h，反应完成后经抽滤、水洗、干燥，在氮气气体条件下煅烧，煅烧温度为1250℃，煅烧时间为4h，煅烧完成后冷却、研磨至200目，加入含有500mLNaBH4和CaCl2的水溶液(NaBH4的浓度为20g/L，CaCl2的浓度为3g/L)中，在25℃下搅拌35min，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到氮化硼/鳞片石墨复合材料；
S3、将步骤S2中得到的20g氮化硼/鳞片石墨复合材料加入200mLKH550乙醇溶液中(KH550的质量分数为5％)，在45℃下反应3h，反应完成后过滤、干燥，即得所述改性鳞片石墨粉。
所述改性碳化硼的制备方法，包括以下步骤：
(a)将50g碳化硼加入500mL硅烷偶联剂溶液中，进行搅拌反应，反应的温度为65℃，时间为2.5h，反应完成后过滤、干燥，得到预处理碳化硼；所述硅烷偶联剂溶液制备方法如下：将5g KH550加入100g体积比为1:1的乙醇水溶液中，常温下搅拌1h，即得所述硅烷偶联剂溶液；
(b)将步骤(a)中的10g预处理碳化硼加入500mL去离子水中，搅拌均后加入15g壳聚糖、25g质量分数为5％的乙酸溶液，在80℃下反应3h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，在氮气气氛、650℃下煅烧4h，即得所述改性碳化硼。
实施例2
一种高硬度耐磨碳刷材料的制备方法，包括以下步骤：
将550g铜粉、450g改性鳞片石墨粉、200g改性碳化硅、150g沥青粉、30g硫粉投入混合机中搅拌1.5h，得到混合粉末，将得到的混合粉末在模具中压制，压制处理的单位压力3.5吨/cm2，脱模后得到毛胚，然后在氨分解气气氛下烧结，烧结工艺为：在12h内将高温烧结炉内温升至800℃，即得高硬度耐磨碳刷材料。
其中，所述改性鳞片石墨粉的制备方法，包括以下步骤：
S1、将100g鳞片石墨粉加入1L H2O2/H2SO4溶液(体积比2:1的98％浓硫酸与质量分数为20％的H2O2溶液组成)中，在25℃下搅拌浸渍0.5h，浸渍完成后过滤、洗涤、干燥，在氮气气氛、1000℃下焙烧10min，得到固体产物，随后将100g固体产物加入1500mL的无水乙醇中，超声处理11h，超声功率为300W，经干燥后得到预处理鳞片石墨；
S2、将步骤S1中的20g预处理鳞片石墨加入300mL去离子水中，接着加入130g硼酸、120g三聚氰胺，在90℃下搅拌反应6h，反应完成后经抽滤、水洗、干燥，在氮气气体条件下煅烧，煅烧温度为1300℃，煅烧时间为4h，煅烧完成后冷却、研磨至200目，加入含有500mLNaBH4和CaCl2的水溶液(NaBH4的浓度为15g/L，CaCl2的浓度为3g/L)中，在25℃下搅拌35min，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到氮化硼/鳞片石墨复合材料；
S3、将步骤S2中得到的20g氮化硼/鳞片石墨复合材料加入200mLKH550乙醇溶液中(KH550的质量分数为5％)，在45℃下反应4h，反应完成后过滤、干燥，即得所述改性鳞片石墨粉。
所述改性碳化硼的制备方法，包括以下步骤：
(a)将50g碳化硼加入500mL硅烷偶联剂溶液中，进行搅拌反应，反应的温度为65℃，时间为2.5h，反应完成后过滤、干燥，得到预处理碳化硼；所述硅烷偶联剂溶液制备方法如下：将4g KH550加入100g体积比为1:1的乙醇水溶液中，常温下搅拌0.5h，即得所述硅烷偶联剂溶液；
(b)将步骤(a)中的10g预处理碳化硼加入500mL去离子水中，搅拌均后加入15g壳聚糖、25g质量分数为5％的乙酸溶液，在80℃下反应3h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，在氮气气氛、650℃下煅烧4h，即得所述改性碳化硼。
实施例3
一种高硬度耐磨碳刷材料的制备方法，包括以下步骤：
将450g铜粉、350g改性鳞片石墨粉、150g改性碳化硅、100g沥青粉、10g硫粉投入混合机中搅拌1h，得到混合粉末，将得到的混合粉末在模具中压制，压制处理的单位压力3.5吨/cm2，脱模后得到毛胚，然后在氨分解气气氛下烧结，烧结工艺为：在10h内将高温烧结炉内温升至750℃，即得高硬度耐磨碳刷材料。
其中，所述改性鳞片石墨粉的制备方法，包括以下步骤：
S1、将100g鳞片石墨粉加入1L H2O2/H2SO4溶液(体积比2:1的98％浓硫酸与质量分数为20％的H2O2溶液组成)中，在20℃下搅拌浸渍1h，浸渍完成后过滤、洗涤、干燥，在氮气气氛、900℃下焙烧20min，得到固体产物，随后将100g固体产物加入1500mL的无水乙醇中，超声处理8h，超声功率为300W，经干燥后得到预处理鳞片石墨；
S2、将步骤S1中的20g预处理鳞片石墨加入300mL去离子水中，接着加入120g硼酸、120g三聚氰胺，在80℃下搅拌反应8h，反应完成后经抽滤、水洗、干燥，在氮气气体条件下煅烧，煅烧温度为1200℃，煅烧时间为5h，煅烧完成后冷却、研磨至200目，加入含有500mLNaBH4和CaCl2的水溶液(NaBH4的浓度为15g/L，CaCl2的浓度为2g/L)中，在20℃下搅拌40min，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到氮化硼/鳞片石墨复合材料；
S3、将步骤S2中得到的20g氮化硼/鳞片石墨复合材料加入200mLKH550乙醇溶液中(KH550的质量分数为4％)，在40℃下反应4h，反应完成后过滤、干燥，即得所述改性鳞片石墨粉。
所述改性碳化硼的制备方法，包括以下步骤：
(a)将50g碳化硼加入500mL硅烷偶联剂溶液中，进行搅拌反应，反应的温度为60℃，时间为3h，反应完成后过滤、干燥，得到预处理碳化硼；所述硅烷偶联剂溶液制备方法如下：将3g KH550加入100g体积比为1:1的乙醇水溶液中，常温下搅拌0.5h，即得所述硅烷偶联剂溶液；
(b)将步骤(a)中的10g预处理碳化硼加入500mL去离子水中，搅拌均后加入10g壳聚糖、20g质量分数为5％的乙酸溶液，在70℃下反应4h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，在氮气气氛、600℃下煅烧5h，即得所述改性碳化硼。
实施例4
一种高硬度耐磨碳刷材料的制备方法，包括以下步骤：
将650g铜粉、550g改性鳞片石墨粉、250g改性碳化硅、200g沥青粉、40g硫粉投入混合机中搅拌2h，得到混合粉末，将得到的混合粉末在模具中压制，压制处理的单位压力3.5吨/cm2，脱模后得到毛胚，然后在氨分解气气氛下烧结，烧结工艺为：在14h内将高温烧结炉内温升至900℃，即得所述高硬度耐磨碳刷材料。
S1、将100g鳞片石墨粉加入1L H2O2/H2SO4溶液(体积比2:1的98％浓硫酸与质量分数为20％的H2O2溶液组成)中，在30℃下搅拌浸渍0.5h，浸渍完成后过滤、洗涤、干燥，在氮气气氛、1000℃下焙烧10min，得到固体产物，随后将100g固体产物加入1500mL的无水乙醇中，超声处理12h，超声功率为300W，经干燥后得到预处理鳞片石墨；
S2、将步骤S1中的20g预处理鳞片石墨加入300mL去离子水中，接着加入140g硼酸、140g三聚氰胺，在90℃下搅拌反应5h，反应完成后经抽滤、水洗、干燥，在氮气气体条件下煅烧，煅烧温度为1300℃，煅烧时间为3h，煅烧完成后冷却、研磨至200目，加入含有500mLNaBH4和CaCl2的水溶液(NaBH4的浓度为20g/L，CaCl2的浓度为3g/L)中，在30℃下搅拌30min，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到氮化硼/鳞片石墨复合材料；
S3、将步骤S2中得到的20g氮化硼/鳞片石墨复合材料加入200mLKH550乙醇溶液中(KH550的质量分数为6％)，在50℃下反应2h，反应完成后过滤、干燥，即得所述改性鳞片石墨粉。
所述改性碳化硼的制备方法，包括以下步骤：
(a)将50g碳化硼加入500mL硅烷偶联剂溶液中，进行搅拌反应，反应的温度为70℃，时间为2h，反应完成后过滤、干燥，得到预处理碳化硼；所述硅烷偶联剂溶液制备方法如下：将6g KH550加入100g体积比为1:1的乙醇水溶液中，常温下搅拌0.5-1h，即得所述硅烷偶联剂溶液；
(b)将步骤(a)中的10g预处理碳化硼加入500mL去离子水中，搅拌均后加入20g壳聚糖、30g质量分数为5％的乙酸溶液，在90℃下反应2h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，在氮气气氛、700℃下煅烧3h，即得所述改性碳化硼。
对比例1
一种高硬度耐磨碳刷材料的制备方法，包括以下步骤：
将600g铜粉、300g鳞片石墨粉、100g氮化硼、200g改性碳化硅、150g沥青粉、20g硫粉投入混合机中搅拌2h，得到混合粉末，将得到的混合粉末在模具中压制，压制处理的单位压力3.5吨/cm2，脱模后得到毛胚，然后在氨分解气气氛下烧结，烧结工艺为：在12h内将高温烧结炉内温升至850℃，即得所述高硬度耐磨碳刷材料。
其中，所述改性碳化硼的制备方法，包括以下步骤：
(a)将50g碳化硼加入500mL硅烷偶联剂溶液中，进行搅拌反应，反应的温度为65℃，时间为2.5h，反应完成后过滤、干燥，得到预处理碳化硼；所述硅烷偶联剂溶液制备方法如下：将5g KH550加入100g体积比为1:1的乙醇水溶液中，常温下搅拌1h，即得所述硅烷偶联剂溶液；
(b)将步骤(a)中的10g预处理碳化硼加入500mL去离子水中，搅拌均后加入15g壳聚糖、25g质量分数为5％的乙酸溶液，在80℃下反应3h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，在氮气气氛、650℃下煅烧4h，即得所述改性碳化硼。
对比例2
一种高硬度耐磨碳刷材料的制备方法，包括以下步骤：
将600g铜粉、400g改性鳞片石墨粉、200g碳化硅、150g沥青粉、20g硫粉投入混合机中搅拌2h，得到混合粉末，将得到的混合粉末在模具中压制，压制处理的单位压力3.5吨/cm2，脱模后得到毛胚，然后在氨分解气气氛下烧结，烧结工艺为：在12h内将高温烧结炉内温升至850℃，即得所述高硬度耐磨碳刷材料。
其中，所述改性鳞片石墨的制备方法，包括以下步骤：
S1、将100g鳞片石墨粉加入1L H2O2/H2SO4溶液(体积比2:1的98％浓硫酸与质量分数为20％的H2O2溶液组成)中，在25℃下搅拌浸渍1h，浸渍完成后过滤、洗涤、干燥，在氮气气氛、950℃下焙烧15min，得到固体产物，随后将100g固体产物加入1500mL的无水乙醇中，超声处理10h，超声功率为300W，经干燥后得到预处理鳞片石墨；
S2、将步骤S1中的20g预处理鳞片石墨加入300mL去离子水中，接着加入130g硼酸、130g三聚氰胺，在85℃下搅拌反应7h，反应完成后经抽滤、水洗、干燥，在氮气气体条件下煅烧，煅烧温度为1250℃，煅烧时间为4h，煅烧完成后冷却、研磨至200目，加入含有500mLNaBH4和CaCl2的水溶液(NaBH4的浓度为20g/L，CaCl2的浓度为3g/L)中，在25℃下搅拌35min，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到氮化硼/鳞片石墨复合材料；
S3、将步骤S2中得到的20g氮化硼/鳞片石墨复合材料加入200mLKH550乙醇溶液中(KH550的质量分数为5％)，在45℃下反应3h，反应完成后过滤、干燥，即得所述改性鳞片石墨粉。
将实施例1-4和对比例1-2制备得到的高硬度耐磨碳刷材料进行性能测试，电阻率按照JB/T8133.2-2013标准进行测试；洛氏硬度按照JB/T8133.3-2013进行测试；抗折强度按照JB/T8133.7-2013进行测试；磨损量：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；按照工作电压：12V；运行方式：工作1.5s，休息28.5s；试验条件：风冷的试验方法对碳刷成品进行工作试验，检测10万次后碳刷功率下降情况。测试结果如下表1：
表1
由上表1可知，本发明制备得到的高硬度耐磨碳刷材料性能优良，电阻率在0.26-0.37μΩ·m之间，硬度在97-101之间，抗折强度在28.2-30.7MPa之间，磨损量在0.22-0.28mm/100H之间，工作10万次后功率下降不超过10％，具有良好的应用前景。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种高硬度耐磨碳刷材料，其特征在于，按重量份计，包括以下原料：
铜粉45-65份、改性鳞片石墨粉35-55份、改性碳化硼15-25份、沥青粉10-20份、硫粉1-4份。
2.根据权利要求1所述的高硬度耐磨碳刷材料，其特征在于，按重量份计，包括以下原料：
铜粉50-60份、改性鳞片石墨粉40-50份、改性碳化硼15-20份、沥青粉12-17份、硫粉2-3份。
3.根据权利要求1所述的高硬度耐磨碳刷材料，其特征在于，所述改性鳞片石墨粉的制备方法，包括以下步骤：
S1、将鳞片石墨粉加入H2O2/H2SO4溶液中，进行搅拌浸渍，浸渍完成后过滤、洗涤、干燥、焙烧，得到固体产物，随后将固体产物加入无水乙醇中，超声处理8-12h，经干燥后得到预处理鳞片石墨；
S2、将步骤S1中的预处理鳞片石墨加入去离子水中，接着加入硼酸、三聚氰胺，进行搅拌反应，反应完成后经抽滤、水洗、干燥，在惰性气体条件下煅烧，煅烧完成后冷却、研磨后，加入含有NaBH4和CaCl2的水溶液中，在20-30℃下搅拌30-40min，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到氮化硼/鳞片石墨复合材料；
S3、将步骤S2中得到的氮化硼/鳞片石墨复合材料加入硅烷偶联剂乙醇溶液中，加热反应，反应完成后过滤、干燥，即得所述改性鳞片石墨粉。
4.根据权利要求3所述的高硬度耐磨碳刷材料，其特征在于，步骤S1中所述H2O2/H2SO4溶液由体积比2:1的98％浓硫酸与20％H2O2溶液组成，所述搅拌浸渍的温度为20-30℃，时间为0.5-1h，所述焙烧温度为900-1000℃，时间为10-20min。
5.根据权利要求3所述的高硬度耐磨碳刷材料，其特征在于，步骤S2中所述预处理鳞片石墨、硼酸、三聚氰胺的质量比为20:120-140:120-140，所述搅拌反应的温度为80-90℃，反应时间为5-8h，所述煅烧温度为1200-1300℃，煅烧时间为3-5h，所述水溶液中NaBH4的浓度为15-20g/L，CaCl2的浓度为2-3g/L。
6.根据权利要求3所述的高硬度耐磨碳刷材料，其特征在于，步骤S3中所述硅烷偶联剂乙醇溶液中硅烷偶联剂的质量分数为4-6％，所述硅烷偶联剂为KH550。
7.根据权利要求1所述的高硬度耐磨碳刷材料，其特征在于，所述改性碳化硼的制备方法，包括以下步骤：
(a)将碳化硼加入硅烷偶联剂溶液中，进行搅拌反应，反应完成后过滤、干燥，得到预处理碳化硼；
(b)将步骤(a)中的预处理碳化硼加入去离子水中，搅拌均后加入壳聚糖、乙酸溶液，进行恒温反应，反应完成后过滤、洗涤、干燥、煅烧，即得所述改性碳化硼。
8.根据权利要求7所述的高硬度耐磨碳刷材料，其特征在于，步骤(a)中的所述硅烷偶联剂溶液制备方法如下：将3-6g KH550加入100g体积比为1:1的乙醇水溶液中，常温下搅拌0.5-1h，即得所述硅烷偶联剂溶液；所述搅拌反应的温度为60-70℃，时间为2-3h。
9.根据权利要求7所述的高硬度耐磨碳刷材料，其特征在于，步骤(b)中所述预处理碳化硼、壳聚糖、乙酸溶液的质量比为10:10-20:20-30；所述乙酸溶液的质量分数为5％；所述恒温反应的温度为70-90℃，时间为2-4h；所述煅烧的温度为600-700℃，时间为3-5h。
10.一种如权利要求1-9任一项所述高硬度耐磨碳刷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按配方将铜粉、改性鳞片石墨粉、改性碳化硼、沥青粉、硫粉投入混合机中搅拌1-2h，得到混合粉末，将得到的混合粉末在模具中压制，脱模后得到毛胚，然后在氨分解气气氛下烧结，烧结工艺为：在10-14h内将高温烧结炉内温升至750-900℃，即得所述高硬度耐磨碳刷材料。
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