一种电机用石墨烯改性炭/炭电刷的制备方法技术

本发明专利技术属于电动机和发动机配件技术领域，具体涉及一种电机用石墨烯改性炭/炭电刷的制备方法。本发明专利技术利用石墨烯具有高强度、高导电性以及高导热性能的特点，采用石墨烯对炭/炭复合材料进行功能化改性，将石墨烯通过有机溶剂与树脂混合稀释后，加压浸入多孔的经过化学气相沉积处理后的炭/炭复合材料坯体内，然后采用固化、炭化和石墨化工艺制得的石墨烯改性炭/炭复合材料电刷，具有力学性能优异，机械强度高、抗冲击韧性好、电阻率低、自润滑性能好以及抗摩擦磨损能力强等优点。

Preparation method of graphene modified carbon / carbon brush for motor

The invention belongs to the technical field of motor and engine accessories, in particular to a preparation method of graphene modified carbon/carbon brush for motor. The present invention utilizes graphene to modify carbon/carbon composites with high strength, high conductivity and high thermal conductivity. The graphene is diluted by mixing organic solvents with resins, and then immersed in porous carbon/carbon composites after chemical vapor deposition under pressure. Graphene modified carbon/carbon composite brushes made by solidification, carbonization and graphitization have the advantages of excellent mechanical properties, high mechanical strength, good impact toughness, low electrical resistivity, good self-lubrication and strong friction and wear resistance.

【技术实现步骤摘要】
一种电机用石墨烯改性炭/炭电刷的制备方法
本专利技术属于电动机和发动机配件
，具体涉及一种电机用石墨烯改性炭/炭电刷的制备方法。
技术介绍
电刷作为电机的一个重要的导电零件，不断与旋转的换向器或集电环表面接触而流畅地传导电流，因此要求它必须具备多方面看来相互矛盾的特性：摩擦系数和磨损量小，不研磨或损伤换向器和集电环：机械强度大，以避免高速旋转和振动引起的磨损；润滑性能好，与换向器或集电环平滑地接触；电阻系数小，换向性能好；不产生火花或噪声，尽量延长使用寿命等。电刷按原材料的不同可分为炭质电刷和金属电刷两大类；炭质电刷以炭黑、石墨或焦炭等一般性炭素材料为主要原材料，金属基电刷以铜粉和石墨为主要原材料，一般称为金属石墨电刷或金属电刷。炭电刷和炭石墨电刷是以沥青焦和炭黑为主要原料，并配以石墨制造而成，由于这种电刷不经过石墨化，所以润滑性差，需要添加石墨予以弥补；其中，石墨配比少的叫炭电刷，石墨配比多的叫炭石墨电刷，它们的硬度比较高，密度比较大，但因摩擦系数大而不适用于高速电机，只在矿山，轧机和起重机用的旧型号直流电动机上使用；目前这种电刷用得并不多。电化石墨电刷经过称之为石墨化的高温热处理过程后，摩擦系数低，耐磨性能好，对于各种用途都显示出极其优良的性能，最近在远途高速电力机车上采用取得了明显的效果；碳黑炭黑基电化石墨电刷以石墨为主要原料，它的电阻系数高，接触电压降大，换向特性好，适用范围非常广，可用于直流电动机、发电机以及中、高电压电动机等；焦炭基电化石墨电刷以石油焦或沥青焦为主要原料，它的电阻系数适中，接触电压降不大，适用于转速较低的直流电机；石墨基电化石墨电刷以天然石墨或人造石墨为主要原料，它的电阻系数在电化石墨电刷中最低，而滑动特性最好，适用于低速直流电机及交流电机的集电环。根据资料检索，中国专利CN103812291A是采用(W,Cr)23C6、Cr3C2、Cr5Si3、Fe3C，将上述相按照常规的挤压铸造工艺制备一种电机电刷；中国专利CN103811960A采用碳、硅、铬、铁和镍通过常规的搅拌铸造工艺制的耐磨性电机电刷；中国专利CN102280790A公开了一种家用小电器用电机电刷的制备方法，采用天然晶体石墨、人造石墨、铜粉、炭黑作为主要材料，并配以润滑剂、添加剂、粘接剂经混合、成型和焙烧而成；中国专利技术专利CN103682925A公开了一种由中间相炭微球和镀铜炭纤维组成的混合物，经焙烧和压制成型制得。以上电刷虽然在各类电机中有所应用，但是，其都是通过不同成分导电粉末颗粒压制成型，然后通过焙烧制得，虽然具有良好的导电性能，但是其整体机械强度不高、耐磨性能较差，严重影响着电刷在电机中的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，而提供一种工艺简单、致密效果好、机械强度高、导电性能好、抗摩擦磨损且具有自润滑性能的使用性能优异的电机用石墨烯改性炭/炭电刷的制备方法。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种电机用石墨烯改性炭/炭电刷的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一：采用预氧丝毡针刺体作为预制体材料，预制体密度控制在0.12g/cm3-0.30g/cm3。步骤二：将步骤一中采用的预制体进行炭化处理。步骤三：将步骤二中处理后的预制体进行化学气相沉积致密，当密度≥1.10g/cm3时转入下道致密工序。步骤四：将石墨烯通过有机溶剂与树脂按一定比例进行混合稀释，石墨烯含量控制在0.5-1.5wt.％，搅拌均匀，得到浸渍混合物。步骤五：浸渍、固化、炭化处理：将步骤四中浸渍混合物加压浸入多孔的经过化学气相沉积处理后的炭/炭复合材料坯体内，压力为1.0MPa-5.0MPa下进行浸渍2h-10h，然后进行固化处理，出炉后转炭化炉炭化处理，其炭化温度为800℃-1100℃，保温2h-4h，反复数次，至密度≥1.60g/cm3时转入下道致密工序。步骤六：将步骤五致密后的炭/炭复合材料坯体转高温石墨化炉内进行高温石墨化处理，在升温速率为5℃/h-200℃/h的条件下升温至1600℃-2500℃，然后保温2h-4h进行高温石墨化处理，自然冷却。步骤七：将步骤六高温石墨化处理后的炭/炭复合材料坯体再进行一次石墨烯和树脂混合物浸渍、固化、炭化处理，处理工艺同步骤五。步骤八：将步骤七出炉的炭/炭复合材料坯体经过机械加工后，制得电机用石墨烯改性炭/炭电刷。上述的一种电机用石墨烯改性炭/炭电刷的制备方法，步骤一中所述的预氧丝毡针刺体布针密度为20针/cm2-60针/cm2。上述的一种电机用石墨烯改性炭/炭电刷的制备方法，步骤二中所述的预氧丝毡炭化处理温度为550℃-700℃，升温速率为2℃/h-20℃/h，保温时间1h-8h。上述的一种电机用石墨烯改性炭/炭电刷的制备方法，步骤三中所述的化学气相沉积致密工艺，升温速率为5℃/h-100℃/h，沉积温度为800℃-1100℃，沉积时间为50h-300h；采用甲烷和丙烷混合气作为碳源气体，其甲烷与丙烷的混合体积比例为1：0.5-4，气体流量为0.5m3/h-5.0m3/h。上述的一种电机用石墨烯改性炭/炭电刷的制备方法，步骤四中所述的树脂包括酚醛树脂、环氧树脂和糠酮树脂，有机溶剂包括N-甲基吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠或二者按任意比的混合物。上述的一种电机用石墨烯改性炭/炭电刷的制备方法，步骤五和步骤七中所述的固化温度为120℃-200℃，炭化升温速度为5℃/h-50℃/h。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、与传统电机电刷的制备技术相比，本专利技术利用石墨烯具有高强度、高导电性以及高导热性能的特点，采用石墨烯对炭/炭复合材料进行功能化改性，将石墨烯通过有机溶剂与树脂混合稀释后，加压浸入多孔的经过化学气相沉积处理后的炭/炭复合材料坯体内，然后采用固化、炭化和石墨化工艺制得的石墨烯改性炭/炭复合材料电刷，具有力学性能优异，机械强度高、抗冲击韧性好、电阻率低、自润滑性能好以及抗摩擦磨损能力强等优点。2、本专利技术采用将石墨烯加有机溶剂与树脂混合浸渍固化/炭化的致密技术，与传统石墨烯改性技术相比，工艺过程简单，且石墨烯在电刷中的分布均匀，加入石墨烯能更进一步的降低电刷的电阻率并提高其自润滑性能。3、本专利技术采用预氧丝毡针刺体作为材料的主要骨架，其中炭纤维针刺体的高强、耐磨特性对电刷的机械性能方面具有很大的提高，大大的延伸了电刷的使用寿命。附图说明图1是本专利技术制备电机用石墨烯改性炭/炭电刷的工艺流程框图。具体实施方式实施例1步骤一：采用预氧丝毡针刺体作为预制体材料，预制体密度控制在0.12g/cm3，预氧丝毡针刺体布针密度为20针/cm2。步骤二：将步骤一中采用的预制体进行炭化处理，炭化处理温度为550℃，升温速率为2℃/h，保温时间1h。步骤三：将步骤二中处理后的预制体进行化学气相沉积致密，采用甲烷和丙烷混合气作为碳源气体，其甲烷与丙烷的混合体积比例为1：0.5，气体流量为0.5m3/h，升温速率为5℃/h，沉积温度为800℃，沉积时间为300h，当密度≥1.10g/cm3时转入下道致密工序。步骤四：将石墨烯通过有机溶剂与树脂混合稀释后，加压浸入多孔的经过化学气相沉积处理后的炭/炭复合材料坯体内，石墨烯含量控制在0.5wt.％，搅拌均匀，余量为树脂溶液，树脂为酚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电机用石墨烯改性炭/炭电刷的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一：采用预氧丝毡针刺体作为预制体材料，预制体密度控制在0.12g/cm3‑0.30g/cm3；步骤二：将步骤一中采用的预制体进行炭化处理；步骤三：将步骤二中处理后的预制体进行化学气相沉积致密，当密度≥1.10g/cm3时转入下道致密工序；步骤四：将石墨烯通过有机溶剂与树脂按一定比例进行混合稀释，石墨烯含量控制在0.5‑1.5wt.％，搅拌均匀，得到浸渍混合物；步骤五：浸渍、固化、炭化处理：将步骤四中浸渍混合物加压浸入多孔的经过化学气相沉积处理后的炭/炭复合材料坯体内，压力为1.0MPa‑5.0MPa下进行浸渍2h‑10h，然后进行固化处理，出炉后转炭化炉炭化处理，其炭化温度为800℃‑1100℃，保温2h‑4h，反复数次，至密度≥1.60g/cm3时转入下道致密工序；步骤六：将步骤五致密后的炭/炭复合材料坯体转高温石墨化炉内进行高温石墨化处理，在升温速率为5℃/h‑200℃/h的条件下升温至1600℃‑2500℃，然后保温2h‑4h进行高温石墨化处理，自然冷却；步骤七：将步骤六高温石墨化处理后的炭/炭复合材料坯体再进行一次石墨烯和树脂混合物浸渍、固化、炭化处理，处理工艺同步骤五；步骤八：将步骤七出炉的炭/炭复合材料坯体经过机械加工后，制得电机用石墨烯改性炭/炭电刷。...

【技术特征摘要】
1.一种电机用石墨烯改性炭/炭电刷的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一：采用预氧丝毡针刺体作为预制体材料，预制体密度控制在0.12g/cm3-0.30g/cm3；步骤二：将步骤一中采用的预制体进行炭化处理；步骤三：将步骤二中处理后的预制体进行化学气相沉积致密，当密度≥1.10g/cm3时转入下道致密工序；步骤四：将石墨烯通过有机溶剂与树脂按一定比例进行混合稀释，石墨烯含量控制在0.5-1.5wt.％，搅拌均匀，得到浸渍混合物；步骤五：浸渍、固化、炭化处理：将步骤四中浸渍混合物加压浸入多孔的经过化学气相沉积处理后的炭/炭复合材料坯体内，压力为1.0MPa-5.0MPa下进行浸渍2h-10h，然后进行固化处理，出炉后转炭化炉炭化处理，其炭化温度为800℃-1100℃，保温2h-4h，反复数次，至密度≥1.60g/cm3时转入下道致密工序；步骤六：将步骤五致密后的炭/炭复合材料坯体转高温石墨化炉内进行高温石墨化处理，在升温速率为5℃/h-200℃/h的条件下升温至1600℃-2500℃，然后保温2h-4h进行高温石墨化处理，自然冷却；步骤七：将步骤六高温石墨化处理后的炭/炭复合材料坯体再进行一次石墨烯和树脂混合物浸渍、固化、炭化处理，处理工艺同步骤五；步骤八：将步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵海成，乔冠军，刘桂武，张相召，赵立军，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32