本發(fā)明涉及石墨碳刷技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯-玄武巖纖維增強(qiáng)的銅基石墨電機(jī)碳刷及其制備方法。

背景技術(shù)：

碳刷是電動(dòng)機(jī)中固定部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分之間傳遞能量或信號的一類摩擦裝置，是電動(dòng)機(jī)的重要組成部件，是一種石墨和膠粘劑的混合體，由于其主要成分是碳，所以稱為碳刷。碳刷作為導(dǎo)出導(dǎo)入電流的滑動(dòng)接觸體，要求其具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱以及潤滑性能，并具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和換向性火花的性，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的種類和使用的工況條件越來越多樣化，對碳刷材料的綜合性能要求也越來越高。

按原材料的組成和生產(chǎn)工藝，碳刷材料可分為碳石墨類、電化石墨類、金屬石墨類，其中金屬石墨類碳刷制作周期較短，制作工藝相對簡單，應(yīng)用較為廣泛。傳統(tǒng)的金屬石墨類碳刷主要是鱗片石墨與銅粉、銀粉、錫粉等金屬粉體在粘接劑的作用下混合、壓制、燒結(jié)制備得到，金屬元素的添加可顯著的影響材料的硬度、韌性、導(dǎo)電性以及摩擦性能，金屬的種類和配比是實(shí)現(xiàn)材料綜合性能協(xié)調(diào)的關(guān)鍵；除此之外，體系中的粘接劑、功能助劑等原料對碳刷的性能也有重要的影響?！禤b及Sn的添加對高銅碳刷組織結(jié)構(gòu)及性能的影響》一文介紹了Pb、Sn合金元素對含銅碳刷的性能影響，結(jié)果表明，合金元素的對材料的硬度、韌性有一定程度的提高，但是在導(dǎo)電性以及耐磨性上表現(xiàn)較差，材料性能的整體協(xié)調(diào)性較弱，使用效果不佳；有研究報(bào)道，納米材料的添加對碳刷的耐磨性有一定的改善作用，比如《碳納米管增強(qiáng)樹脂/石墨碳刷的制備與性能研究》一文引入碳納米管作為改性劑，有效的降低了材料的摩擦系數(shù)，耐磨性能佳，但是其中的環(huán)氧樹脂粘接劑受熱形成的炭化顆粒在摩擦過程中容易脫落，導(dǎo)致表面出現(xiàn)缺陷，加速磨損，長時(shí)間工作后導(dǎo)致碳刷性能變差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的就是為了彌補(bǔ)已有技術(shù)的缺陷，提供一種石墨烯-玄武巖纖維增強(qiáng)的銅基石墨電機(jī)碳刷及其制備方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種石墨烯-玄武巖纖維增強(qiáng)的銅基石墨電機(jī)碳刷，該碳刷材料由以下重量份的原料制成：碳納米微球1-2、天然鱗片石墨粉12-20、納米銅粉3-5、銅粉30-40、鋅合金粉1-2、氧化石墨烯0.3-0.5、玄武巖纖維1-2、釔溶膠30-40、Tris-HCl緩沖溶液適量、鹽酸多巴胺2-3、去離子水50-60、水合肼適量。

所述的玄武巖纖維直徑≤0.5μm，長度≤0.1μm。

所述的一種石墨烯-玄武巖纖維增強(qiáng)的銅基石墨電機(jī)碳刷的制備方法包括以下步驟：

（1）先取去離子水投入反應(yīng)容器中，接著加入鹽酸多巴胺，攪拌至其完全溶解后滴加Tris-HCl緩沖溶液，調(diào)節(jié)體系pH值為8-8.5，得多巴胺溶液備用；

（2）取30-40重量份的多巴胺溶液，加入天然鱗片石墨粉，攪拌混合均勻后靜置36-48h，處理結(jié)束后過濾，過濾物經(jīng)水洗后干燥，得表面改性的天然鱗片石墨備用；

（3）取氧化石墨烯、玄武巖纖維投入余量的多巴胺溶液中，攪拌混合均勻后靜置36-48h，處理結(jié)束后過濾，過濾物投入水合肼中浸泡反應(yīng)10-15h，反應(yīng)結(jié)束后過濾，產(chǎn)物經(jīng)水洗后干燥，得負(fù)載石墨烯的玄武巖纖維備用；

（4）將表面改性的天然鱗片石墨、負(fù)載石墨烯的玄武巖纖維與其它剩余物料初混后球磨2-3h后干燥處理，完全干燥后物料在280-345MPa壓力下經(jīng)全自動(dòng)壓機(jī)帶線一次成型，隨后坯體真空高溫?zé)Y(jié)處理，即得所述的碳刷材料。

所述的步驟（4）中坯體真空高溫?zé)Y(jié)條件為：真空度：5-15Pa，燒結(jié)溫度為850-930℃，壓強(qiáng)為10-15MPa，燒結(jié)時(shí)間為40-60min。

本發(fā)明制備了一種石墨烯-玄武巖纖維增強(qiáng)的銅基石墨電機(jī)碳刷，這種碳刷材料以天然鱗片石墨作為碳材料，在其表面沉積聚多巴胺膜層以改善其表面性能，提高其與其它原料的結(jié)合性和分散性，獲得致密度更高的坯體，并摻入了納米銅、鋅合金粉等原料，提升了材料的綜合力學(xué)性能，加入的石墨烯-玄武巖纖維增強(qiáng)效果顯著，不僅提高了各原料間的把持力，防止摩擦過程中微粒脫落而加速磨損，此外，本發(fā)明以釔溶膠作為粘接劑，具有良好的粘接力，燒結(jié)后無殘?zhí)?，對體系無不良影響，最終制備的碳刷材料較之傳統(tǒng)的金屬石墨碳刷兼具優(yōu)良的硬度和耐磨損性，電性能良好，不易打火，使用壽命更長。

具體實(shí)施方式

一種石墨烯玄武巖纖維增強(qiáng)的銅基石墨電機(jī)碳刷，該碳刷材料由以下重量份的原料制成：碳納米微球1、天然鱗片石墨粉12、納米銅粉3、銅粉30、鋅合金粉1、氧化石墨烯0.3、玄武巖纖維1、釔溶膠30、Tris-HCl緩沖溶液適量、鹽酸多巴胺2、去離子水50、水合肼適量。

其中玄武巖纖維直徑≤0.5μm，長度≤0.1μm。

該碳刷材料的制備方法包括以下步驟：

（1）先取去離子水投入反應(yīng)容器中，接著加入鹽酸多巴胺，攪拌至其完全溶解后滴加Tris-HCl緩沖溶液，調(diào)節(jié)體系pH值為8，得多巴胺溶液備用；

（2）取30重量份的多巴胺溶液，加入天然鱗片石墨粉，攪拌混合均勻后靜置36h，處理結(jié)束后過濾，過濾物經(jīng)水洗后干燥，得表面改性的天然鱗片石墨備用；

（3）取氧化石墨烯、玄武巖纖維投入余量的多巴胺溶液中，攪拌混合均勻后靜置36h，處理結(jié)束后過濾，過濾物投入水合肼中浸泡反應(yīng)10h，反應(yīng)結(jié)束后過濾，產(chǎn)物經(jīng)水洗后干燥，得負(fù)載石墨烯的玄武巖纖維備用；

（4）將表面改性的天然鱗片石墨、負(fù)載石墨烯的玄武巖纖維與其它剩余物料初混后球磨2h后干燥處理，完全干燥后物料在280MPa壓力下經(jīng)全自動(dòng)壓機(jī)帶線一次成型，隨后坯體真空高溫?zé)Y(jié)處理，即得所述的碳刷材料。

其中步驟（4）中坯體真空高溫?zé)Y(jié)條件為：真空度：8Pa，燒結(jié)溫度為885℃，壓強(qiáng)為12MPa，燒結(jié)時(shí)間為45min。

制成的碳刷材料根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能測試，測試結(jié)果為：

肖式硬度：23.2；彎曲強(qiáng)度：20.8MPa；摩擦系數(shù)：0.12；電阻率：0.18μΩ.m。