一种镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维及其碳刷

1.本发明涉及电机用碳刷技术领域，具体涉及一种镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维及其碳刷。


背景技术：

2.碳刷也叫电刷，是电动机、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，是电动机的重要组成部件。碳刷作为一种滑动接触件，在许多电气设备中得到广泛的应用。由于碳刷作为接触体，一般要求具有一定的机械强度、较好的润滑性和良好的导电性能。随着科技的发展，电机的技术也得到了很大提升，对碳刷材料也提出了更多的要求。
3.碳刷按照材料组成可分为碳石墨类、电化石墨类、金属石墨类，其中金属石墨类碳刷的制备工艺简单，成本低，在电机中普遍使用。金属石墨类碳刷一般是鳞片石墨与金属粉体在粘接剂的作用下混合、压制、烧结制备得到。《用镀铜石墨粉制备碳刷的研究》一文以镀铜石墨粉为原料制作镀铜石墨粉/石墨复合碳刷可以使铜形成连续的三维网络结构，在铜含量相同的条件下，镀铜石墨粉/石墨复合碳刷在密度、电阻率、耐磨性能等方面优于石墨粉与铜粉直接混合制备的铜/石墨复合碳刷。但是，如何将进一步增强镀铜石墨粉/石墨复合碳刷的结合力，进而增强复合碳刷的力学性能有待进一步研究。另外铜粉加入量的增多,电刷的滑动特性又变得越来越差，噪音也越来越大。因此，cn 201210215379.9公开了一种置换镀铜石墨粉生产低噪音高性能电刷的工艺，包括：1）将石墨粉和粘结剂混捏得到胶质石墨粉；2）将胶质石墨粉、添加剂和脱模剂混合得到混合粉末；3）在混合粉末中，加入甲醇或汽油低残炭粘结剂稀溶液，混合后再加入镀铜石墨粉；4）将第3）步混合好的料粉晾干，再经带线压制，最后烧结即得到低噪音高性能电刷。该发明专利相较于普通的碳/铜复合材料碳刷的铜含量更低，因此能得到低噪音高性能电刷。但是，所采用的镀铜石墨粉本身无吸波降噪性能，如何想进一步减少噪音，也是亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种用于制备镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维，以解决现有技术制备的碳刷力学性能和导电性能差、噪音大的问题。
5.进一步，本发明还提供所述镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维用于制备增强碳刷。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供一种镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维，通过如下方法制备：（1）将镀铜石墨粉放入乙醇溶液中浸泡，再置于去离子水中浸泡，干燥后待用；（2）在石墨基片上均匀平铺硫粉，然后用压机进行压制；（3）将步骤（1）得到的镀铜石墨粉置于步骤（2）得到的石墨基片上，将石墨基片置
于管式炉中，在保护气氛围下逐渐升温至450~550℃后，通入乙炔进行反应，反应时间为20~60min，在保护气氛围下降至室温，得到的产物为镀铜石墨原位生长的螺旋纳米碳纤维。
7.本发明还提供一种镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维增强碳刷，其制备方法包括如下步骤：将上述镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维与融化的沥青均匀混合，磨粉过筛，再与固体润滑剂、脱模剂混合均匀后，粉碎过筛，在压机上通过模具压制成型，再经过烧结后进行后处理制成碳刷。
8.相比技术现有，本发明具有如下有益效果：1、采用本发明方法制备得到的镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维材料，能够获得具备螺旋结构的镀铜纳米碳纤维，改善铜元素与碳纤维的结合力，使其连接得更加牢固。
9.2、本发明镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维材料制备增强碳刷，利用沥青较好的粘接效果，使各种原料能够很好的固定连接，提升碳刷的强度。
10.3、本发明镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维材料制备增强碳刷，为在镀铜石墨粉上原位生长螺旋纳米碳纤维，能够有效改善铜和碳材料的结合力，增强碳刷的力学性能和导电性能，使制备得到的碳刷具有高强度、高导电、耐高温、耐摩擦等优异性能；同时，螺旋纳米碳纤维材料具有特殊的螺旋结构，能够吸收声波，将其掺杂在碳刷中能够有效降低碳刷在工作中所产生的噪声，具有很好的降噪效果。
11.4、本发明加入镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维材料，在不降低碳刷力学性能和导电性能的前提下，能有效降低铜的加入量，降低噪声。
附图说明
12.图1为本发明镀铜石墨粉的sem图。
13.图2为原位生长的螺旋纳米碳纤维sem图。
具体实施方式
14.下面将结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
15.一、一种镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维材料（1）将镀铜石墨粉放入乙醇溶液中浸泡，再置于去离子水中浸泡，干燥后待用；（2）在石墨基片上均匀平铺硫粉，然后用压机进行压制；（3）将步骤（1）得到的镀铜石墨粉置于步骤（2）得到的石墨基片上，将石墨基片置于管式炉中，在保护气氛围下逐渐升温至450~550℃后，通入乙炔进行反应，反应时间为20~60min，在保护气氛围下降至室温，得到的产物为镀铜石墨原位生长螺旋纳米碳纤维。
16.其中，所述步骤（1）中乙醇溶液的浓度为20%~40%。
17.所述步骤（3）中，升温速度为1℃/min ~5℃/min。
18.所述步骤（3）中，通入乙炔的流量为100ml/min~150ml/min，通入时间为20min~60min。
19.通过研究发现，镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维材料，其生长的螺旋纳米碳纤维长度和螺径等会在一定程度上影响碳刷的力学性能和噪声。特别是在噪声方面，获得了意料之外的技术效果：通过让镀铜石墨粉进行原位生长，得到螺旋结构的纳米碳纤维材料，竟然能有效缓解噪音较大这一问题。
20.二、一种镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维增强碳刷的其制备方法将上述镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维与融化的沥青均匀混合，磨粉过筛，再与固体润滑剂、脱模剂混合均匀后，粉碎过筛，在压机上通过模具压制成型，再经过烧结后进行后处理制成碳刷。
21.其中，镀铜石墨粉和硫粉的质量比为：（20~90）:1。镀铜石墨粉、沥青、固体润滑剂、脱模剂的质量比为：（60~85）：（5~15）：（2~8）：（0.03~0.05）。烧结温度为700-800℃，烧结时间为14-18h。
22.所述固体润滑剂选择二硫化钼或石墨烯。所述脱模剂为硬脂酸锌。
23.三、实施例表1（各组成的质量百分比）
实施例镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维（%）硫粉（%）沥青（%）固体润滑剂（%）脱模剂（%）1601520.032701540.0337511040.0448011060.0458511580.05对比例1镀铜石墨粉用量为70%且不具有螺旋纳米炭纤维结构11060.04
实施例1（1）将镀铜石墨粉放入浓度为20%的乙醇溶液中浸泡30min，再置于去离子水中浸泡30min，放入80℃的真空干燥箱中干燥后待用。
24.（2）在4
×
8cm的石墨基片上均匀平铺硫粉0.2g，然后用压机上1mpa压力下压制2min。
25.（3）将步骤（1）得到的镀铜石墨粉置于步骤（2）得到的石墨基片上铺有硫粉的位置处，将石墨基片置于管式炉中，在氩气（100ml/min）的保护氛围下，以2℃/min的升温速率升温至500℃后，通入乙炔（120ml/min）30min进行反应，反应结束后在氩气（80ml/min）的保护氛围下降至室温，得到产物镀铜石墨原位生长螺旋纳米碳纤维，其结构参见图2。
26.（4）将步骤（3）得到的产物与融化的沥青均匀混合，磨粉过筛，再与固体润滑剂、脱模剂混合均匀后，粉碎过筛，在压机上通过模具压制成型，再经过烧结后（烧结温度为700-800℃，烧结时间为14-18h），经过切割、磨面、打孔、埋线、磨弧制成碳刷。
27.实施例2~5采用表1的原料配比和上述方法制备得到所述碳刷，对比例1采用表1的原料配比，但对比例1中的镀铜石墨为未经过原位生长螺旋纳米碳纤维，不具有螺旋结构。
28.四、性能对比对实施例1~5和对比例1制备得到的碳刷性能进行测试，《jb/t8133.14-2013电炭制品物理化学性能试验方法第14部分：体积密度》、《jb/t8133.2-2013电炭制品物理化学性能试验方法第2部分：电阻率》、《jb/t 8133.4-2013电炭制品物理化学性能试验方法 第4部分:肖氏硬度》、《jb/t8133.7-2013电炭制品物理化学性能试验方法第7部分：抗折强度》、《gb/10069.3-2008旋转电机噪声测定方法及限值第3部分：噪声限值标准》。
29.表2 实施例1~5制备的复合滑板的性能
样品体积密度（g/cm3）电阻率（μωm）肖氏硬度（hs）抗折强度（mpa）工作时噪音分贝实施例12.61485324850实施例22.72490355142
实施例32.65470314748实施例42.58502294645实施例52.67510345049对比例12.52608284058
结合表1和表2可以看出，具有螺旋结构的镀铜石墨粉纳米碳纤维材料仍然具有优异的力学性能，同时，在降噪方面也展现出显著优势。实施例2中，具有螺旋结构的镀铜石墨粉纳米碳纤维材料的用量与对比例1中镀铜石墨粉的用量相同，但实施例2工作时的噪音分贝明显低于对比例1，而且，即便实施例5镀铜石墨粉用量的增加，实施例5工作时的噪音仍然显著低于对比例1，由此可见，采用本发明方法制备得到的镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维材料，能够获得具备螺旋结构的镀铜纳米碳纤维，改善铜元素与碳纤维的结合力，使其连接得更加牢固。本发明镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维材料制备增强碳刷，利用沥青较好的粘接效果，使各种原料能够很好的固定连接，提升碳刷的强度。本发明镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维材料制备增强碳刷，为在镀铜石墨粉上原位生长螺旋纳米碳纤维，能够有效改善铜和碳材料的结合力，增强碳刷的力学性能和导电性能，使制备得到的碳刷具有高强度、高导电、耐高温、耐摩擦等优异性能；同时，螺旋纳米碳纤维材料具有特殊的螺旋结构，能够吸收声波，将其掺杂在碳刷中能够有效降低碳刷在工作中所产生的噪声，具有很好的降噪效果。本发明加入镀铜石墨粉原位生长螺旋纳米碳纤维材料，在不降低碳刷力学性能和导电性能的前提下，能有效降低铜的加入量，降低噪声。
30.最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。