CN101656385A - 超耐磨全能纳米碳刷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

这种超耐磨全能纳米碳刷，包括铜粉和胶结石墨粉，铜粉和胶结石墨粉的重量比是：铜粉40份至60份，胶结石墨粉60份至40份；胶结石墨粉中包括纳米氧化硅、亚纳米石墨粉、鳞片石墨粉和酚醛树脂溶液，其重量配比如下：纳米氧化硅0.7份～1.5份，亚纳米石墨粉8.0份，鳞片石墨粉70.5份～71.3份，浓度45％的酚醛树脂溶液45份。本发明优点：碳刷耐磨性显著增强，单副碳刷使用寿命达到920小时；工作接触面运转平稳，换向性能优良，仅有极细小的火花，噪音大幅下降，且启动功率提高30％以上。寿命超长是通过添加纳米氧化硅；噪音低、换向性能好是通过添加亚纳米石墨粉；导电性能好是通过添加铜粉末来实现的。

Description

超耐磨全能纳米碳刷及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳刷，尤其是一种低压电机特别是汽车辅助永磁电机用的超耐磨全能纳米碳刷及其制备方法。“全能”是指这种碳刷可满足电机运行时对碳刷的各项性能指标，即噪音低、火花等级小，寿命超长。而一般的碳刷难以同时满足上述几个性能指标。

背景技术

以往技术生产碳刷的工艺是采用含碳量达95％或99％的鳞片石墨粉与沥青或酚醛树脂按比例经混合、粉碎、筛分制成胶结石墨粉，然后同铜粉、锡粉及铅粉等经混合、压制、烧结而成。铜粉通常是采用含铜量达99.5％以上、松装比为1.35g/cm³～1.90g/cm³的电解铜粉。采用这样的材料，材料的电阻率或耐磨性达不到两者的协调，满足不了高性能电机的需求。

也有关于纳米碳刷的报道，中国专利ZL01115208.7，公开号CN1317591，公开了一种碳刷，该碳刷材料特征主要由铜、石墨和微量添加元素铬或镍组份构成，铜的重量含量为90％～99％，石墨的重量含量为0.4％～10％，铬或镍的重量含量为0.1％～0.4％。

另有关于纳米稀土超耐磨碳刷，(申请号：CN200620021587.5)其特征是在碳刷上设置磁致伸缩层，以提高碳刷耐磨性的纳米稀土超耐磨碳刷。

按第一种方法生产的碳刷材料，由于含金属量高，仅适用于作为电触头材料及大型滑环上使用，如作为在永磁电机的换向器滑环上使用，则由于永磁电机的换向器滑环材料硬度较低，碳刷必然会对换向器滑环产生致命的条痕伤害；且噪音无法降低、换向不能得到有效改善。

按第二种方法生产的碳刷材料，一旦该磁致伸缩层耗尽，则碳刷就失去了原发明的作用(为实用新型专利)，且碳刷材料电阻率高达38～52μΩM。电阻率太高，不宜作为低压电机特别是汽车辅助永磁电机用碳刷。

发明内容

本发明要解决上述现有技术的问题，其目的是提供一种具有超耐磨、噪音低、导电及换向性能好的超耐磨全能纳米碳刷及其制备方法。超耐磨全能纳米碳刷采用的是添加平均粒径为20nm～50nm的纳米氧化硅及含碳量达99.99％以上、平均粒径1微米以下的亚纳米石墨粉的金属石墨碳刷。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种超耐磨全能纳米碳刷，包括铜粉和胶结石墨粉，铜粉和胶结石墨粉的重量比是：铜粉40份至60份，胶结石墨粉60份至40份；胶结石墨粉中包括纳米氧化硅、亚纳米石墨粉、鳞片石墨粉和酚醛树脂溶液，其重量配比如下：

纳米氧化硅                0.7份～1.5份，

亚纳米石墨粉              8.0份，

鳞片石墨粉                70.5份～71.3份，

浓度45％的酚醛树脂溶液    45份。

纳米氧化硅的平均粒径为20nm～50nm，比表面积为160±20m²/g。纳米氧化硅是有机硅氧烷包覆纳米氧化硅。亚纳米石墨粉平均粒径1微米以下，该亚纳米石墨粉是采用隐晶石墨粉通过3000℃以上的高温提纯，含碳量达99.99％以上的超高纯石墨粉。铜粉是采用含铜量达99.5％以上、松装比为0.9g/cm³～1.2g/cm³的超细电解铜粉。

这种上述超耐磨全能纳米碳刷的制备方法，包括胶结石墨粉制备工序、胶结石墨粉和铜粉混合工序、压制成型工序及烧结工序，所述胶结石墨粉制备工序包括如下步骤：

1)纳米氧化硅表面处理：将有机硅氧烷分散剂，用无水酒精稀释后，用超声波分散设备对纳米氧化硅进行包覆处理；其中有机硅氧烷分散剂的重量是纳米氧化硅的0.2％～0.3％，无水酒精重量是纳米氧化硅的5倍～10倍；

2)纳米氧化硅及亚纳米石墨粉分散：按照所述配比份量，将表面处理后的纳米氧化硅及亚纳米石墨粉用超声波分散设备或高速搅拌机分散到浓度为45％的酚醛树脂溶液中，混合均匀，形成复合酚醛树脂溶液；

3)将鳞片石墨粉按配比份量和上述经预处理后的复合酚醛树脂溶液经混合、粉碎、造粒、过筛、干燥处理。

步骤3)的具体工序如下：

①料粉混合：将含碳量99.5％以上的鳞片石墨微粉投入混捏机内，加热至80℃，加入所述的复合酚醛树脂溶液，于75℃～80℃下闭盖混合1小时，再开盖混合20分钟；于轧辊温度30℃～40℃轧片机上轧片三次，片厚小于2.5mm。

②料粉预粉碎：在装有φ0.5mm铁皮筛网的粉碎机上制粉，粉碎后料粉小于0.139mm(即全部通过100目筛)。

③造粒、过筛：在造粒机中对上述料粉进行造粒，造粒后料粉颗粒分级在0.13mm～0.296mm(即在60目～120目)，料粉颗粒不符合的可处理后回用。

④干燥处理：将造粒后的胶结石墨粉于80℃恒温箱中干燥1小时～2小时，检验料粉：在100℃、30分钟时，失重率控制在1.5％～3％之间。

本发明使用的铜粉(由浙江省上虞市丰申金属制品有限公司生产)，其松装比在0.9g/cm³至1.2g/cm³之间。目的是为了使一定量(重量)的铜粉体积相对尽可能大，以在确定的重量配方下所得到的材料结构中，铜粉所形成的网络尽可能的发达。众所周知，当材料中的铜相(单元)结构连续较发达时，则材料的导电性能相对较好。这样对金属石墨碳刷来说，可确保其工作时具有较高的输出功率。

本发明采用的胶结石墨粉造粒工艺也是为了达到同一个目的：提高材料的导电性能。因为相对铜粉而言，胶结石墨粉的导电性能要弱得多。因此对一定重量的胶结石墨粉来说，如何使其体积尽可能减小，成了工艺实施的关键。为此，本发明将混合后的料粉预先经过轧片，进行预密实，同时可进一步提高粘结剂与其它组分的均匀性，然后进行预粉碎、制粉，使粉末的细微颗粒达到一定的粒度(小于0.139mm，即大于100目)，消除碳刷工作时对电机换向器产生有害条痕的隐患；再对预制好的粉进行造粒并到一定的颗粒度(细微颗粒的团聚体)，本发明造粒后的胶结石墨粉粒径规定为0.13mm～0.296mm(60目～120目)。通过这种工艺手段的实施，造粒后的胶结石墨粉相对铜粉(超细低松装比铜粉)的体积较小，制得的材料导电特性满足设计、使用要求。

要清楚的明确一点，碳刷配方组份中，添加铜粉的目的是为了提高材料的导电性能。但铜粉含量添加后的副作用是：耐磨性变差、火化等级上升，并有可能伤害电机换向器枛产生条痕。为了避免上述问题，必须配入一定量的胶结石墨粉。但随着胶结石墨粉添加量的增加，材料的导电性能将变差，甚至在碳刷工作时受到严重影响。

总之，一种理想的金属石墨材料是：为满足电机的工作要求，在达到电阻率一定值的前提下，含铜量(重量)越低，则材料越优，技术水平越高。

本发明加入的亚纳米石墨粉(由湖南郴州精工石墨有限公司生产)，其亚纳米石墨粉是采用经初步提纯至含碳量达到90％以上、粒径极微的隐晶石墨粉(土状石墨粉)做原料，通过3000℃以上的高温(采用电加热方式，类似于石墨化高温提纯工艺)得到的含碳量达到99.99％～99.999％产品。因此，其无论是导电性，还是润滑性，均与鳞片石墨粉(-399石墨粉)无异，但其具有更优的耐磨性。

本发明中加入使用的纳米氧化硅(舟山明日纳米材料有限公司生产)根据碳刷的使用工作特点而选用的：由于金属石墨碳刷要求有一定的润滑性，因此必须加入如石墨粉、二硫化钼、二硫化钨、氮化硼等润滑材料。考虑到综合因素，通常选用鳞片石墨粉。但由于鳞片石墨粉是矿产资源中用物理或化学方法提纯得到含碳量达到94％～99％的产品，提供电碳业作为原料(习惯称为电碳石墨)，不可避免的含有原矿中的杂质。由于原矿中的杂质的自然形状成尖锐状，使其与电机换向器表面接触转动时在换向器上刻留下有害的条纹。为有效解决这类问题，最好的方法是将鳞片石墨粉提纯至高纯度，含碳量达到99.9％以上，但提纯成本相当昂贵，并且制得的成品耐磨性太差，为此需加入一种耐磨剂。纳米氧化硅的出现，为解决上述难题提供了理想的材料。经透射电子显微镜观测，纳米氧化硅颗粒尺寸小、粒径分布窄；经BET法测试分析，纳米氧化硅比表面积大；经红外光谱分析，纳米氧化硅表面存在大量的羟基和不饱和残键，并偏离了稳态的Si-O结构。

由于纳米氧化硅颗粒尺寸小、比表面积大，极易团聚，因此分散十分困难，必须添加分散剂及采用超声分散设备进行。分散技术可以采用三种方法，即：1、机械共混技术，2、超声波分散技术，3、震动磨分散技术。而其中以超声波分散技术效果最优。

超声波分散原理：超声波分散技术是利用超声波的空化作用所产生的。超声波在介质中传播过程中存在着一个正负压强的交变周期。在正压相位时，超声波对介质分子挤压，改变了介质原来的密度，使其增大；而在负压相位时，使介质分子稀疏，进一步离散，介质的密度则减少。当用足够大振幅的超声波作用于液体介质时，在负压区内介质分子间的距离会超过使液体介质保持不变的临界分子距离，这时液体介质就会发生断裂，形成微泡。微泡进一步长大成为空化气泡。这些气泡一方面可以重新溶解于液体介质中，也可能上浮并消失；另一方面随着声场的变化而继续增大，直到负压达到最大值。在紧接着的压缩过程中，这些使其增大空化气泡被压缩，其体积缩小，有的甚至完全消失。当脱出超声场的共振相位时，空化气泡就不再稳定了。这些空化气泡内的压强已不能支撑其自身的大小，即开始溃陷。当空化气泡溃陷时，形成速度极高的微射流，以极大的力冲击固体。团聚的纳米粒子在如此强大的作用下会重新分散，而空化作用还能改善液体介质与固体表面之间的传质过程。从而在对纳米氧化硅粒子团聚的同时，对其进行表面处理。

本发明使用的超声设备为超声波材料乳化分散器(型号：BILON-1000由上海比朗仪器有限公司经销)，用无水乙醇作为溶剂。

本发明采用有机硅氧烷分散剂(可按不同使用场合、用途选用不同分散剂及加入量)；纳米氧化硅表面存在大量的羟基和不饱和残键能更好的与作为粘结剂的树脂发生化学键作用：通过键能作用，材料间的结合更加牢固，这样能充分有效地发挥纳米氧化硅的神奇作用！

本发明为进一步提高碳刷寿命添加了纳米氧化硅及高纯亚纳米石墨粉双组份协同作用，既有超耐磨的作用而不会对电机产生条痕的伤害，又有优良的润滑及改善换向作用；采用上述添加组份，以含碳量99.5％以上的鳞片石墨微粉和酚醛树脂经混合、粉碎、造粒、过筛、热处理而成。

本发明的有益效果是：本发明碳刷耐磨性显著增强，单副碳刷使用寿命达到920小时；工作接触面运转平稳，换向性能优良，仅有极细小的火花，噪音大幅下降，且启动功率提高30％以上。寿命超长是通过添加纳米氧化硅；噪音低、换向性能好是通过添加亚纳米石墨粉；导电性能好是通过添加铜粉末来实现的。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明

实施例一、这种超耐磨全能纳米碳刷，包括铜粉和胶结石墨粉，铜粉和胶结石墨粉的重量比是：铜粉40份至60份，胶结石墨粉60份至40份；胶结石墨粉中包括纳米氧化硅、亚纳米石墨粉、鳞片石墨粉和酚醛树脂溶液，其重量配比如下：

纳米氧化硅              0.7份～1.5份

亚纳米石墨粉            8.0份

鳞片石墨粉              70.5份～71.3份

浓度45％的酚醛树脂溶液  45份

纳米氧化硅的平均粒径为20nm～50nm，比表面积为160±20m²/g。纳米氧化硅是有机硅氧烷包覆纳米氧化硅。亚纳米石墨粉平均粒径1微米以下，该亚纳米石墨粉是采用隐晶石墨粉通过3000℃以上的高温提纯，含碳量达99.99％以上的超高纯石墨粉。铜粉是采用含铜量达99.5％以上、松装比为0.9g/cm³～1.2g/cm³的超细电解铜粉。

这种上述超耐磨全能纳米碳刷的制备方法，如下：

1、胶结石墨粉制备

1)复合酚醛树脂溶液的制作：对纳米氧化硅进行表面包覆处理(即用0.3％纳米氧化硅质量的有机硅氧烷对纳米氧化硅进行表面包覆)，具体方法为将有机硅氧烷稀释于8倍(纳米氧化硅)的无水乙醇中，把纳米氧化硅置于其中，用超声波分散设备把纳米氧化硅团聚体震碎1小时～1.5小时；然后再加入固含量为45％的酚醛树脂溶液(由酚醛树脂和无水乙醇配制而成)及高纯亚纳米石墨粉，继续用超声波分散设备或高速搅拌机进行均匀分散，1小时即可得到复合酚醛树脂溶液。

2)胶结石墨粉混合：将含碳量99.5％以上的鳞片石墨微粉投入混捏机内，加热至80℃(表温设定温度)(下同)，加入上述制得的复合酚醛树脂溶液，于75℃～80℃下闭盖混合1小时，再开盖混合20分钟；于轧辊温度30℃～40℃轧片机上轧片三次，片厚小于2.5mm。

3)料粉预粉碎：在装有φ0.5mm铁皮筛网的粉碎机上制粉，粉碎后料粉小于0.139mm(即全部通过100目筛)。

4)造粒、过筛：在造粒机中对上述料粉进行造粒，造粒后料粉颗粒分级在0.13mm～0.296mm(即在60目～120目)之间(料粉颗粒不符合的可处理后回用)。

5)干燥处理：将造粒后的胶结粉于80℃恒温箱中干燥1小时～2小时，检验料粉：在100℃、30分钟时，失重率控制在1.5％～3％之间。

2、铜粉和胶结石墨粉混合压制粉制备

按如下配方：

胶结石墨粉  55％

电解铜粉    45％

将上述二组份用手工混合至无明显单组份后放入鼓型混合机内，使料粉达到40℃～80℃混合1小时，小于0.351mm(即过40目筛)，备用。

3、成型

在全自动压机上进行，单位压力为260MPa～289MPa，产品规格为5×5×10mm、5×5×8mm，带有0.5mm²铜编织导线压入，产品控制体积密度为2.55g/cm³～3.55g/cm³。

4、烧结

在含有氢气20％～25％(体积)、氮气75％～80％的保护性气氛下，于连续网带炉中烧结，最高温区温度820℃±15℃.

最终产品使用结果见表1

“目”是颗粒细度单位，其含义如下：是用筛网每一英寸(25.4mm)长度上所占的筛孔数目作为各个筛子号码的名称，一英寸长度中的筛孔数目称为网目，简称目。本发明中采用的是上海标准筛，40目＝0.351mm，60目＝0.296mm，100目＝0.139mm，120目＝0.13mm。

实施例二、

1、胶结石墨粉制备

1)、纳米材料及工艺过程同实施例一

其胶结石墨粉配比：

纳米氧化硅                1.0份

亚纳米石墨粉              8.0份

鳞片石墨粉                71.0份

浓度45％的酚醛树脂溶液    45份

2、压制粉制备及后续工艺同实施例一

最终产品使用结果见表1

实施例三、

1、胶结石墨粉制备

1)、纳米材料及工艺过程同实施例一

2)、胶结石墨粉配比：

纳米氧化硅              1.5份

亚纳米石墨粉            8.0份

鳞片石墨粉              70.5份

浓度45％的酚醛树脂溶液  45份

2、压制粉制备及后续工艺同实施例一

最终产品使用结果见表1

比较例：

1、胶结石墨粉配比(常规)：

鳞片石墨粉              80.0份

浓度45％的酚醛树脂溶液  45份

制作生产工艺同实施例一

2、压制粉制备及后续工艺同实施例一

最终产品使用结果见表1

	纳米氧化硅％	亚纳米石墨粉％	滑动噪音(dB)	磨耗量mm/100H	换向火花等级	*推算使用寿命(H)	火化状况	电阻率μΩM
									实施例一	0.385	4.4	46	0.54	＜1.25	926	稳定	0.70
实施例二	0.550	4.4	47.5	0.47	＜1.25	1064	稳定	0.76
									实施例三	0.825	4.4	49.5	0.45	1.5～2.0	1111	有增大趋势	0.86
比较例	---	---	49	0.69	＜1.50	724	尚稳定	1.10

表1；(铜粉含量45％)

*说明：碳刷有效使用长度按5mm计算

Claims (9)

1.一种超耐磨全能纳米碳刷，包括铜粉和胶结石墨粉，其特征是：所述的铜粉和胶结石墨粉的重量比是：铜粉40份至60份，胶结石墨粉60份至40份；所述胶结石墨粉中包括纳米氧化硅、亚纳米石墨粉、鳞片石墨粉和酚醛树脂溶液，其重量配比如下：

纳米氧化硅                    0.7份～1.5份，

亚纳米石墨粉                  8.0份，

鳞片石墨粉                    70.5份～71.3份，

浓度45％的酚醛树脂溶液        45份。

2.根据权利要求1所述超耐磨全能纳米碳刷，其特征是：所述纳米氧化硅的平均粒径为20nm～50nm，比表面积为160±20m²/g。

3.根据权利要求2所述超耐磨全能纳米碳刷，其特征是：所述纳米氧化硅是有机硅氧烷包覆纳米氧化硅。

4.根据权利要求1所述超耐磨全能纳米碳刷，其特征是：所述亚纳米石墨粉平均粒径1微米以下，该亚纳米石墨粉是采用隐晶石墨粉通过3000℃以上的高温提纯，含碳量达99.99％以上的高纯石墨粉。

5.根据权利要求1所述超耐磨全能纳米碳刷，其特征是：所述铜粉是采用含铜量达99.5％以上、松装比为0.9g/cm3～1.2g/cm3的电解铜粉。

6.一种上述超耐磨全能纳米碳刷的制备方法，包括胶结石墨粉制备工序、胶结石墨粉和铜粉混合工序、压制成型工序及烧结工序，其特征是：所述胶结石墨粉制备工序包括如下步骤：

1)纳米氧化硅表面处理：将有机硅氧烷分散剂，用无水酒精稀释后，用超声波分散设备对纳米氧化硅进行包覆处理；其中有机硅氧烷分散剂的重量是纳米氧化硅的0.2％～0.3％，无水酒精重量是纳米氧化硅的5倍～10倍；

2)纳米氧化硅及亚纳米石墨粉分散：按照所述配比份量，将表面处理后的纳米氧化硅及亚纳米石墨粉用超声波分散设备或高速搅拌机分散到浓度为45％的酚醛树脂溶液中，混合均匀，形成复合酚醛树脂溶液；

3)将鳞片石墨粉按配比份量和上述经预处理后的复合酚醛树脂溶液经混合、粉碎、造粒、过筛、干燥处理。

7.根据权利要求6所述的超耐磨全能纳米碳刷的制备方法，其特征是：所述步骤3)的具体工序如下：

①料粉混合：将含碳量99.5％以上的鳞片石墨微粉投入混捏机内，加热至80℃，加入所述的复合酚醛树脂溶液，于75℃～80℃下闭盖混合1小时，再开盖混合20分钟；于轧辊温度30℃～40℃的轧片机上轧片三次，片厚小于2.5mm。

②料粉预粉碎：在装有φ0.5mm铁皮筛网的粉碎机上制粉，粉碎后料粉小于0.139mm。

③造粒、过筛：在造粒机中对上述料粉进行造粒，造粒后料粉颗粒分级在0.13mm～0.296mm之间，料粉颗粒不符合的处理后回用。

④干燥处理：将造粒后的胶结石墨粉于80℃恒温箱中干燥1小时～2小时，检验料粉：在100℃、30分钟时，失重率控制在1.5％～3％之间。

8.根据权利要求6所述的超耐磨全能纳米碳刷的制备方法，其特征是：所述压制成型工序是采用全自动压机带线一次成型而成，成型单位压力为260MPa～289MPa。

9.根据权利要求6所述的超耐磨全能纳米碳刷的制备方法，其特征是：所述烧结工序中，成型产品是在网带炉中有氢气、氮气混合气体还原气氛下进行烧结的，其中氢气占20％～25％、氮气75％～80％。