CN117335233A - 一种高耐磨电机碳刷复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高耐磨电机碳刷复合材料及其制备方法，按重量份计，包括以下原料：铜粉50‑70份、改性鳞片石墨粉30‑50份、改性碳化硅10‑20份、酚醛树脂粉10‑20份、硫粉3‑5份。该高耐磨电机碳刷复合材料，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和硬度，并且改性后的鳞片石墨和碳化硅同时具有较好耐热性和导热性，避免了碳刷材料在摩擦后温度升高，从而导致磨损加剧的问题，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，具体涉及一种高耐磨电机碳刷复合材料及其制备方法。
背景技术
碳刷是一类导电滑动接触件，在许多电气设备中得到广泛的应用，它是电动机、发动机或者其他旋转机械的固定部分和转动部分之间传递能量和信号的装置。在电机中，碳刷是用于换向器或滑环上，作为导出导入电流的滑动接触体，其导电、导热以及润滑性能良好，并具有一定的机械强度和换向性火花的本能。几乎所有的电机都使用碳刷，是电机的重要组成部件。
由于碳刷的主要成分为碳，这也决定了碳刷的耐磨性较差，因此人们普遍通过加入复合材料提高来提高其耐磨性。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。中国专利申请号为201010502703.6公开了一种汽车发动机启动电机碳刷及其生产方法，由下列组成物组成：混合石墨粉、铜粉、二硒化铌，所述的混合石墨粉由下列组成物组成：石墨粉、沥青、酚醛树脂，先制备混合石墨粉，石墨粉加沥青在220度下混合，缓慢降温到100度以下时加入酚醛树脂，然后在90度条件下混合，待干燥后磨粉成混合石墨粉待用；将铜粉、二硒化铌以干粉形式加入到混合石墨粉，在干式混合机中混合，压制汽车发动机启动电机碳刷。该树脂改性沥青作为粘结剂，兼具了树脂和沥青两种粘结剂的优点，既提高了碳刷的强度又不使碳刷过硬，使用了二硒化铌为润滑剂，有效解决了碳刷润滑问题。虽然该专利通过体积密度、洛氏硬度、接触压降、摩擦系数体现了对碳刷的耐磨性以及其他性能的改善，但其未考虑不同环境下碳刷的耐磨性问题，因此耐磨性还需进一步提高，从而避免恶劣环境中碳刷的频繁更换，提高碳刷的使用寿命。
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。通过加入SiC颗粒可改善铜基体在磨损过程中的变形程度，但是SiC作为陶瓷相粒子，对复合材料的导电性能将造成不利的影响；SiO2的引入虽然改善了复合材料的摩擦磨损性能，但是可引入氧化磨损，对电机的运行和稳定换向也会带来不利影响。
为获得兼具良好导电性和耐磨性的低成本长寿命电机用碳刷材料，需要综合考虑材料制造成本、工艺性、导热性能、导电性能、力学性能和摩擦磨损性能之间合理匹配，合理地设计材料组成。
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耐磨电机碳刷复合材料及其制备方法，该高耐磨电机碳刷复合材料具有良好的耐磨性和较好的导电性、润滑性以及较高的硬度，提高了碳刷复合材料的使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高耐磨电机碳刷复合材料，按重量份计，包括以下原料：
铜粉50-70份、改性鳞片石墨粉30-50份、改性碳化硅10-20份、酚醛树脂粉10-20份、硫粉3-5份。
优选的，一种高耐磨电机碳刷复合材料，按重量份计，包括以下原料：
铜粉55-65份、改性鳞片石墨粉35-45份、改性碳化硅15-20份、酚醛树脂粉15-18份、硫粉4-5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，改性碳化硅的制备方法，包括以下步骤：
(a)将碳化硅加入硝酸溶液中，加热处理，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理碳化硅；
(b)将步骤(a)中的预处理碳化硅加入去离子水中，搅拌分散均匀后加入氯氧化锆、氨水，控制pH为9-10，进行搅拌反应，反应完成后静置过滤、洗涤、干燥，得到固体产物，随后将固体产物加入去离子水中，继续加入钼酸钠、硫脲，进行水热反应，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到改性碳化硅。
优选的，步骤(a)中所述硝酸溶液的浓度为10-15wt％；所述加热处理的温度为80-90℃，加热处理时间为3-5h；。
优选的，步骤(b)中所述预处理碳化硅、氯氧化锆的质量比为10:40-50；所述氨水的质量浓度为5-10％；所述搅拌反应的温度为50-60℃，时间为1-2h；所述固体产物、钼酸钠、硫脲的质量比为20:30-40:45-60；所述水热反应的温度为200-220℃，时间为8-10h。
本发明还保护一种如所述高耐磨电机碳刷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
按配方将铜粉、改性鳞片石墨粉、改性碳化硅、酚醛树脂粉、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℃，即得所述高耐磨电机碳刷复合材料。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明提供的高耐磨电机碳刷复合材料，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酚醛树脂的粘结性能，从而提高碳刷材料的力学性能。
(2)本发明提供的高耐磨电机碳刷复合材料，将碳化硅进行酸处理，随后将其与氯氧化锆进行反应，得到前驱体，接着再将前驱体加入钼酸钠、硫脲中，进行水热反应，使碳化硅表面形成氧化锆、二硫化钼杂化物，二硫化钼独特的“三明治”结构使其层间很容易剥离，提高了碳化硅的润滑性能，同时氧化锆也具有优良的耐热性、耐磨性，通过一步水热法，使二硫化钼与氧化锆之间的结合更加稳定，保证了碳刷材料的力学性能，既可提高碳刷材料的硬度和耐磨性，也可降低碳刷材料的摩擦系数，从而提高材料的寿命。
(3)本发明提供的高耐磨电机碳刷复合材料，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和硬度，并且改性后的鳞片石墨和碳化硅同时具有较好耐热性和导热性，避免了碳刷材料在摩擦后温度升高，从而导致磨损加剧的问题，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；所述二硫化钼的目数为2500目；所述酚醛树脂购自济南百进化工科技有限公司，目数为300目；所述氮化硼的目数为2000目；所述碳化硅的目数为2000目。
实施例1
一种高耐磨电机碳刷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将600g铜粉、400g改性鳞片石墨粉、150g改性碳化硅、150g酚醛树脂粉、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℃，即得所述高耐磨电机碳刷复合材料。
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20％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。
所述改性碳化硅的制备方法，包括以下步骤：
(a)将碳化硅加入浓度为15wt％的硝酸溶液中，85℃下加热处理4h，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理碳化硅；
(b)将步骤(a)中的10g预处理碳化硅加入300mL去离子水中，搅拌分散均匀后加入45g氯氧化锆，加入浓度为10wt％的氨水控制pH为10，在55℃下搅拌反应2h，反应完成后静置1h，经过滤、洗涤、干燥后，得到固体产物，随后将20g固体产物加入500mL去离子水中，继续加入35g钼酸钠、50g硫脲，在210℃下水热反应9h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到改性碳化硅。
实施例2
一种高耐磨电机碳刷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将600g铜粉、400g改性鳞片石墨粉、150g改性碳化硅、150g酚醛树脂粉、40g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℃，即得所述高耐磨电机碳刷复合材料。
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20％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。
所述改性碳化硅的制备方法，包括以下步骤：
(a)将碳化硅加入浓度为10wt％的硝酸溶液中，85℃下加热处理4h，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理碳化硅；
(b)将步骤(a)中的10g预处理碳化硅加入300mL去离子水中，搅拌分散均匀后加入45g氯氧化锆、加入浓度为5wt％的氨水控制pH为10，在55℃下搅拌反应2h，反应完成后静置1h，经过滤、洗涤、干燥后，得到固体产物，随后将20g固体产物加入500mL去离子水中，继续加入35g钼酸钠、55g硫脲，在210℃下水热反应9h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到改性碳化硅。
实施例3
一种高耐磨电机碳刷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将500g铜粉、300g改性鳞片石墨粉、100g改性碳化硅、100g酚醛树脂粉、30g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，然后在氨气气氛下烧结，烧结工艺为：在10h内将高温烧结炉内温升至900℃，即得所述高耐磨电机碳刷复合材料。
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20％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。
所述改性碳化硅的制备方法，包括以下步骤：
(a)将碳化硅加入浓度为15wt％的硝酸溶液中，80℃下加热处理5h，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理碳化硅；
(b)将步骤(a)中的10g预处理碳化硅加入300mL去离子水中，搅拌分散均匀后加入40g氯氧化锆、加入浓度为5wt％的氨水控制pH为9，在50℃下搅拌反应2h，反应完成后静置1h，经过滤、洗涤、干燥后，得到固体产物，随后将20g固体产物加入500mL去离子水中，继续加入30g钼酸钠、45g硫脲，在200℃下水热反应10h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到改性碳化硅。
实施例4
一种高耐磨电机碳刷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将700g铜粉、500g改性鳞片石墨粉、200g改性碳化硅、200g酚醛树脂粉、50g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℃，即得所述高耐磨电机碳刷复合材料。
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20％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。
所述改性碳化硅的制备方法，包括以下步骤：
(a)将碳化硅加入浓度为15wt％的硝酸溶液中，90℃下加热处理3h，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理碳化硅；
(b)将步骤(a)中的10g预处理碳化硅加入300mL去离子水中，搅拌分散均匀后加入50g氯氧化锆、加入浓度为10wt％的氨水控制pH为10，在60℃下搅拌反应1h，反应完成后静置1h，经过滤、洗涤、干燥后，得到固体产物，随后将20g固体产物加入500mL去离子水中，继续加入40g钼酸钠、60g硫脲，在220℃下水热反应8h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到改性碳化硅。
对比例1
一种高耐磨电机碳刷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将600g铜粉、300g鳞片石墨粉、100g氮化硼、150g改性碳化硅、150g酚醛树脂粉、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℃，即得所述高耐磨电机碳刷复合材料。
所述改性碳化硅的制备方法，包括以下步骤：
(a)将碳化硅加入浓度为15wt％的硝酸溶液中，85℃下加热处理4h，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理碳化硅；
(b)将步骤(a)中的10g预处理碳化硅加入300mL去离子水中，搅拌分散均匀后加入45g氯氧化锆，加入浓度为10wt％的氨水控制pH为10，在55℃下搅拌反应2h，反应完成后静置1h，经过滤、洗涤、干燥后，得到固体产物，随后将20g固体产物加入500mL去离子水中，继续加入35g钼酸钠、50g硫脲，在210℃下水热反应9h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到改性碳化硅。
对比例2
一种高耐磨电机碳刷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将600g铜粉、400g改性鳞片石墨粉、75g碳化硅、75g二硫化钼、150g酚醛树脂粉、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℃，即得所述高耐磨电机碳刷复合材料。
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20％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制备得到的碳刷复合材料进行性能测试，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耐磨电机碳刷复合材料性能优良，电阻率在0.29-0.32μΩ·m之间，硬度在94-98之间，抗折强度在28.8-31.2MPa之间，磨损量在0.20-0.29mm/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)
1.一种高耐磨电机碳刷复合材料，其特征在于，按重量份计，包括以下原料：
铜粉50-70份、改性鳞片石墨粉30-50份、改性碳化硅10-20份、酚醛树脂粉10-20份、硫粉3-5份。
2.根据权利要求1所述的高耐磨电机碳刷复合材料，其特征在于，按重量份计，包括以下原料：
铜粉55-65份、改性鳞片石墨粉35-45份、改性碳化硅15-20份、酚醛树脂粉15-18份、硫粉4-5份。
3.根据权利要求1所述的高耐磨电机碳刷复合材料，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所述的高耐磨电机碳刷复合材料，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所述的高耐磨电机碳刷复合材料，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所述的高耐磨电机碳刷复合材料，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所述的高耐磨电机碳刷复合材料，其特征在于，所述改性碳化硅的制备方法，包括以下步骤：
(a)将碳化硅加入硝酸溶液中，加热处理，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理碳化硅；
(b)将步骤(a)中的预处理碳化硅加入去离子水中，搅拌分散均匀后加入氯氧化锆，加入氨水控制pH为9-10，进行搅拌反应，反应完成后静置过滤、洗涤、干燥，得到固体产物，随后将固体产物加入去离子水中，继续加入钼酸钠、硫脲，进行水热反应，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到改性碳化硅。
8.根据权利要求7所述的高耐磨电机碳刷复合材料，其特征在于，步骤(a)中所述硝酸溶液的浓度为10-15wt％；所述加热处理的温度为80-90℃，加热处理时间为3-5h；。
9.根据权利要求7所述的高耐磨电机碳刷复合材料，其特征在于，步骤(b)中所述预处理碳化硅、氯氧化锆的质量比为10:40-50；所述氨水的质量浓度为5-10％；所述搅拌反应的温度为50-60℃，时间为1-2h；所述固体产物、钼酸钠、硫脲的质量比为20:30-40:45-60；所述水热反应的温度为200-220℃，时间为8-10h。
10.一种如权利要求1-9任一项所述高耐磨电机碳刷复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按配方将铜粉、改性鳞片石墨粉、改性碳化硅、酚醛树脂粉、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℃，即得所述高耐磨电机碳刷复合材料。
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