CN102931560A - 一种性能优良的电刷材料及其制备方法和其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种性能优良的电刷材料及其制备方法和其应用，所述的电刷材料由中间相炭微球和镀铜碳纤维组成，其中，中间相炭微球：镀铜碳纤维的质量比为
75-99
∶
25-1
。本发明的电刷材料采用导电性能良好、粒径均匀、呈球形或类球形的未经炭化中间相炭微球为主要原料，并加入少量的镀铜碳纤维，经分段保温保压的模压工艺制得，显著提高了电刷材料的体积密度，增加了电刷的导电性、耐磨性，制得的电刷材料具有自润滑性好、耐磨性好、硬度高、体积密度高、电阻率小、导电性能优良、换向性能好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电机材料领域，具体涉及一种性能优良的电刷材料及其制备方法和其应用。
背景技术
电刷用于电机的换向器、滑环或集电环等带电体上，并广泛用于交直流发电机、同步电动机、电瓶直流电动机、吊车电机集电环和电焊机等。电刷用于与一旋转体电导通，作为导入导出电流的滑动接触体，并在电机旋转部分与静止部分之间传导电流，用作与运动件作滑动接触而形成电连接的一种导电部件，存在滑动接触面发生磨损的问题。为了解决电刷的磨损问题，采用改变电刷的材质、调节电刷的硬度等措施来抑制电刷的电方面/机械方面的磨损、或驱动电动机时发生在电刷的滑动接触面的火花放电。因此，电刷材料要求具有良好的导电性、导热性、润滑性、滑动接触特性(如摩擦系数、耐磨性等)，且对电阻率和接触电阻有着特殊要求，并要求具有一定的机械强度。
随着科学技术的发展，电机的种类和使用的工况条件越来越多样化，因而需要各种不同质量等级、结构的电刷、电刷材料来满足这些多样化要求。目前，电机用电刷包括碳质电刷和金属质电刷，其中，碳质电刷以碳黑、石墨或焦炭等碳素材料为主要原材料；金属质电刷以铜粉、银粉或其他金属材料（如含有60%以上的贵金属，如银或铜等）和石墨为主要原材料。
与大多数金属或非金属材料相比，石墨材料的热稳定性很高，具有较高的导热系数和较低的热膨胀系数，还具有自润滑性和较小摩擦，因而被广泛应用于制备电刷或电刷材料。但是，石墨材料因其层状结构使其耐磨性不佳、质软且不抗冲击等缺陷，从而影响碳质电刷的耐磨性、导电性和其使用寿命，而金属质电刷因添加贵金属又表现价格昂贵。因此，改进电刷材料的组成，改善并提高其耐磨性、导电性，延长其使用寿命等，成为迫切需要解决的技术问题。
中间相炭微球（MCMB）为人造石墨的一种，呈球形或近球形，由含有稠环芳烃的化合物（如重质油、煤沥青、石油沥青、中温沥青、二次煤沥青、萘、渣油、煤焦油、二次石油重质油、蒽油、多环芳烃等）通过热缩聚反应发生中间相转变制得。作为示例，可按照CN1308113A公开的方法制备中间相炭微球。中间相炭微球具有良好的化学稳定性、热稳定性、导电性和导热性等，且具有自粘结性、纯度高，粒径均匀，模压成型后硬度高、耐摩擦，因而成为制备高性能炭材料的优质前驱体。
发明内容
本发明的目的是提供一种电刷材料，所述的电刷材料由中间相炭微球和镀铜碳纤维组成，其中，中间相炭微球：镀铜碳纤维的质量比为75-99：25-1，优选中间相炭微球与镀铜碳纤维的质量比为 90-99：10-1。
本发明的优选技术方案中，所述中间相炭微球为未经炭化的中间相炭微球。
本发明的优选技术方案中，所述中间相炭微球呈球形或近球形，长短径之比小于2。
本发明的优选技术方案中，所述中间相炭微球的平均粒径为3-30μm，优选为5-20μm。
本发明的优选技术方案中，所述镀铜碳纤维的长度为0.1-5mm，优选其直径为0.5-10μm。
本发明的优选技术方案中，所述电刷材料的磨损率为2.0-4.0 mg/h，优选为2.5-3.8 mg/h。
本发明的优选技术方案中，所述电刷材料的平均摩擦系数为0.05-0.25，优选为0.05-0.20。
本发明的优选技术方案中，所述电刷材料的肖氏硬度为60-100，优选为70-85。
本发明的优选技术方案中，所述电刷材料的体积密度为1.70-2.0g/cm
3
，优选为1.75-1.90 g/cm
3
。
本发明的优选技术方案中，所述电刷材料的电阻率为18-35μΩm，优选为20-30μΩm。
本发明的优选技术方案中，所述镀铜碳纤维中的铜含量为10-30%，优选为10-25%。
本发明的另一目的在于提供一种电刷材料的制备方法，所述的电刷材料由中间相炭微球和镀铜碳纤维组成，其中，中间相炭微球：镀铜碳纤维的质量比为75-99：25-1，优选中间相炭微球与镀铜碳纤维的质量比为 90-99：10-1，所述的制备方法包括下述步骤：
1）称取所需量的中间相炭微球与镀铜碳纤维，将其混合均匀，制得混合原料；
2）将混合原料装入热压模具中，在热压机中进行分阶段热压，优选所述的分阶段热压包括至少两阶段热压，制得模压材料；
3）将模压材料放入炭化炉中，在惰性气体保护下，在950-1200℃炭化2-8小时，自然冷却至室温，即得。
本发明的优选技术方案中，所述的分阶段热压为两阶段热压，其中，第一阶段，以2℃/min的速率升温到100-300℃，压力增加至10-90Mpa，保温保压模压处理2-5小时；第二阶段，以2℃/min的速率升温到300-800℃，压力增加到90-300Mpa，保温保压模压处理2-8小时，自然冷却至室温，得到模压材料。
本发明的优选技术方案中，第一阶段的压力为10-90Mpa，优选为20-60Mpa。
本发明的优选技术方案中，第二阶段的压力为90-350Mpa，优选为100-300Mpa。
本发明的优选技术方案中，所述中间相炭微球为未经炭化的中间相炭微球。
本发明的优选技术方案中，所述中间相炭微球呈球形或近球形，长短径之比小于2。
本发明的优选技术方案中，所述的间相炭微球的平均粒径为3-30μm，优选为5-20μm。
本发明的优选技术方案中，所述镀铜碳纤维的长度为0.1-5mm，优选其直径为0.5-10μm。
本发明的优选技术方案中，所述镀铜碳纤维中的铜含量为10-30%，优选为10-25%。
本发明的另一目的在于提供本发明的电刷材料用于制备电刷中的应用，优选所述的电刷为电机电刷，更优选所述电机电刷选自直流电机电刷、换向式电机电刷、交流电电机电刷、同步电动机电刷、电瓶直流电动机电刷、集电环电刷、电焊机电刷的任一种或其组合。
为了清楚地表述本发明的保护范围，本发明对术语进行如下界定：
本发明所述的体积电阻率是指单位长度与单位截面积导体的电阻，其测量公式如下：
ρ= R·A／L
式中：ρ为试样体积电阻率，单位为μΩ·m；R为试样的电阻值，单位为μΩ；A为试样的平均横截面积，单位为m 2 ；L为试样长度，单位为m。
本发明所述的磨损率以单位时间内材料的磨损量表示，即磨损率I=dm /dt，单位为mg/h。磨损率是电刷工作性能优劣的重要标志之一。磨损率小，则电刷的使用寿命长，维护工作量减少，运行成本降低。
本发明所述的平均摩擦系数是指接触面上的平均摩擦系数，是由基本摩擦力之和与正压力之和的比值或平均单位摩擦力与平均压力之比来确定的，即f=∑t／∑p=t均／P均。
本发明所述的肖氏硬度为表征材料硬度的性能参数，可采用弹性回跳法将撞销从一定高度落到待测材料的表面上而发生回跳，并用测得的撞销回跳的高度来表示其硬度。肖氏硬度计适用于测定黑色金属和有色金属的肖氏硬度值，如橡胶、塑料、金属材料等。
本发明所述的体积密度是指材料在包含实体积、开口和密闭孔隙的状态下单位体积的质量。
除非另有说明，本发明涉及液体与液体之间的百分比时，所述的百分比为体积/体积百分比；本发明涉及液体与固体之间的百分比时，所述百分比为体积/重量百分比；本发明涉及固体与液体之间的百分比时，所述百分比为重量/体积百分比；其余为重量/重量百分比。
与现有技术相比，本发明具有下述优点：
（1）本发明的电刷材料采用导电性能良好、粒径均匀、呈球形或类球形的未经炭化中间相炭微球为主要原料，并加入少量的镀铜碳纤维，经分段保温保压的模压工艺制得，显著提高了电刷材料的体积密度，增加了电刷的导电性、耐磨性，制得的电刷材料具有自润滑性好、耐磨性好、硬度高、体积密度高、电阻率小、导电性能优良、换向性能好等优点。
（2）本发明电刷材料的制备方法具有工艺简单，成本低，适合工业化生产等优点。
具体实施方式
以下将结合实施例具体说明本发明，本发明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明的实质。
实施例1 本发明电刷材料的制备
本实施例电刷材料的制备方法，包括下述步骤：
1）称取所需量的中间相炭微球与镀铜碳纤维，将其加入到混合机中，搅拌混合至混合均匀，得到混合原料，其中，中间相炭微球与镀铜碳纤维的质量比为90：10，中间相炭微球未经炭化，呈球形或类球形，长径比不高于2，中间相炭微球的粒径为5μm，镀铜碳纤维中的铜含量为10%；
2）将混合原料装入热压模具中，在热压机中进行两段热压，其中，第一阶段，以2℃/min的速率升温到120℃，压力增加到20Mpa，保温保压模压处理3小时；第二阶段，以2℃/min的速率升温到400℃，压力增加到120Mpa，保温保压模压处理4小时，自然冷却至室温，得到模压材料；
3）将模压材料放入炭化炉中，在惰性气体保护下，在1000℃炭化5小时，自然冷却至室温，即得。
实施例2 本发明电刷材料的制备
本实施例电刷材料的制备方法，包括下述步骤：
1）称取所需量的中间相炭微球与镀铜碳纤维，将其加入到混合机中，搅拌混合至混合均匀，得到混合原料，其中，中间相炭微球与镀铜碳纤维的质量比为92:8，中间相炭微球未经炭化，呈球形或类球形，长径比不高于2，中间相炭微球的粒径为7μm，镀铜碳纤维中的铜含量为12%；
2）将混合原料装入热压模具中，在热压机中进行两段热压，其中，第一阶段，以2℃/min的速率升温到150℃，压力增加到25Mpa，保温保压模压处理3小时；第二阶段，以2℃/min的速率升温到450℃，压力增加到150Mpa，保温保压模压处理4小时，自然冷却至室温，得到模压材料；
3）将模压材料放入炭化炉中，在惰性气体保护下，在1000℃炭化5小时，自然冷却至室温，即得。
实施例3 本发明电刷材料的制备
本实施例电刷材料的制备方法，包括下述步骤：
1）称取所需量的中间相炭微球与镀铜碳纤维，将其加入到混合机中，搅拌混合至混合均匀，得到混合原料，其中，中间相炭微球与镀铜碳纤维的质量比为94:6，中间相炭微球未经炭化，呈球形或类球形，长径比不高于2，中间相炭微球的粒径为9μm，镀铜碳纤维中的铜含量为15%；
2）将混合原料装入热压模具中，在热压机中进行两段热压，其中，第一阶段，以2℃/min的速率升温到200℃，压力增加到25Mpa，保温保压模压处理3小时；第二阶段，以2℃/min的速率升温到500℃，压力增加到180Mpa，保温保压模压处理4小时，自然冷却至室温，得到模压材料；
3）将模压材料放入炭化炉中，在惰性气体保护下，在1050℃炭化5小时，自然冷却至室温，即得。
实施例4 本发明电刷材料的制备
本实施例电刷材料的制备方法，包括下述步骤：
1）称取所需量的中间相炭微球与镀铜碳纤维，将其加入到混合机中，搅拌混合至混合均匀，得到混合原料，其中，中间相炭微球与镀铜碳纤维的质量比为96:4，中间相炭微球未经炭化，呈球形或类球形，长径比不高于2，中间相炭微球的粒径为12μm，镀铜碳纤维中的铜含量为17%；
2）将混合原料装入热压模具中，在热压机中进行两段热压，其中，第一阶段，以2℃/min的速率升温到200℃，压力增加到40Mpa，保温保压模压处理3小时；第二阶段，以2℃/min的速率升温到500℃，压力增加到220Mpa，保温保压模压处理4小时，自然冷却至室温，得到模压材料；
3）将模压材料放入炭化炉中，在惰性气体保护下，在1050℃炭化5小时，自然冷却至室温，即得。
实施例5 本发明电刷材料的制备
本实施例电刷材料的制备方法，包括下述步骤：
1）称取所需量的中间相炭微球与镀铜碳纤维，将其加入到混合机中，搅拌混合至混合均匀，得到混合原料，其中，中间相炭微球与镀铜碳纤维的质量比为98:2，中间相炭微球未经炭化，呈球形或类球形，长径比不高于2，中间相炭微球的粒径为15μm，镀铜碳纤维中的铜含量为20%；
2）将混合原料装入热压模具中，在热压机中进行两段热压，其中，第一阶段，以2℃/min的速率升温到250℃，压力增加到50Mpa，保温保压模压处理3小时；第二阶段，以2℃/min的速率升温到550℃，压力增加到260Mpa，保温保压模压处理4小时，自然冷却至室温，得到模压材料；
3）将模压材料放入炭化炉中，在惰性气体保护下，在1050℃炭化5小时，自然冷却至室温，即得。
实施例6 本发明电刷材料的制备
本实施例电刷材料的制备方法，包括下述步骤：
1）称取所需量的中间相炭微球与镀铜碳纤维，将其加入到混合机中，搅拌混合至混合均匀，得到混合原料，其中，中间相炭微球与镀铜碳纤维的质量比为99:1，中间相炭微球未经炭化，呈球形或类球形，长径比不高于2，中间相炭微球的粒径为18μm，镀铜碳纤维中的铜含量为25%；
2）将混合原料装入热压模具中，在热压机中进行两段热压，其中，第一阶段，以2℃/min的速率升温到250℃，压力增加到60Mpa，保温保压模压处理3小时；第二阶段，以2℃/min的速率升温到600℃，压力增加到300Mpa，保温保压模压处理4小时，自然冷却至室温，得到模压材料；
3）将模压材料放入炭化炉中，在惰性气体保护下，在1100℃炭化5小时，自然冷却至室温，即得。
对比例1 电刷材料的制备
电刷材料的制备方法，包括下述步骤：
1）称取所需量的未经炭化的中间相炭微球，其中，中间相炭微球呈球形或类球形，长径比不高于2，粒径为12μm；
2）将中间相炭微球装入热压模具中，在热压机中进行两段热压，其中，第一阶段，以2℃/min的速率升温到250℃，压力增加到50Mpa，保温保压模压处理3小时；第二阶段，以2℃/min的速率升温到550℃，压力增加到260Mpa，保温保压模压处理4小时，自然冷却至室温，得到模压材料；
3）将模压材料放入炭化炉中，在惰性气体保护下，在1050℃炭化5小时，自然冷却至室温，即得。
对比例2 电刷材料的制备
电刷材料的制备方法，包括下述步骤：
1）称取所需量的石墨与镀铜碳纤维，将其加入到混合机中，搅拌混合至混合均匀，得到混合原料，其中，中间相炭微球与镀铜碳纤维的质量比为92:8，石墨未经炭化，呈球形或类球形，长径比不高于2，石墨的粒径为7μm，镀铜碳纤维中的铜含量为12%；
2）将混合原料装入热压模具中，在热压机中进行两段热压，其中，第一阶段，以2℃/min的速率升温到150℃，压力增加到25Mpa，保温保压模压处理3小时；第二阶段，以2℃/min的速率升温到450℃，压力增加到150Mpa，保温保压模压处理4小时，自然冷却至室温，得到模压材料；
3）将模压材料放入炭化炉中，在惰性气体保护下，在1000℃炭化5小时，自然冷却至室温，即得。
实施例7 电刷材料的性能研究
按照本发明所述的方法测试实施例1-6和对比例1-2制得的电刷材料，结果见表1。
表1 性能参数测试结果
| 编号 | 体积电阻率（μΩm） | 磨损率（mg/h） | 平均摩擦系数 | 肖氏硬度 | 体积密度（g/cm3） |
| 实施例1 | 26.1 | 3.3 | 0.15 | 78 | 1.88 |
| 实施例2 | 22.4 | 3.1 | 0.13 | 77 | 1.81 |
| 实施例3 | 23.7 | 3.1 | 0.13 | 77 | 1.82 |
| 实施例4 | 24.9 | 2.8 | 0.12 | 76 | 1.85 |
| 实施例5 | 26.2 | 3.4 | 0.11 | 78 | 1.87 |
| 实施例6 | 28.2 | 3.6 | 0.11 | 77 | 1.79 |
| 对比例1 | 31.3 | 3.9 | 0.10 | 72 | 1.84 |
| 对比例2 | 37.5 | 6.7 | 0.25 | 58 | 1.70 |
由表1可见，本发明的电刷材料采用导电性能良好、粒径均匀、呈球形或类球形的未经炭化中间相炭微球为主要原料，并加入少量的镀铜碳纤维，经分段保温保压的模压工艺制得，显著提高了电刷材料的体积密度（达到1.88 g/cm
3
），增加了电刷的导电性、耐磨性，制得的电刷材料具有自润滑性好、耐磨性强（磨损率约为2.8 mg/h，平均摩擦系数为0.11）、硬度高（肖氏硬度达到78）、体积密度高（1.88g/cm
3
）、电阻率小（如22.4μΩm）、导电性能优良、换向性能好等优点，适合于制备电机电刷，尤其是适合于制备直流电机电刷、换向式电机电刷、交流电电机电刷、同步电动机电刷、电瓶直流电动机电刷、集电环电刷、电焊机电刷。并且，本发明电刷材料的制备方法具有工艺简便，成本低，适合工业化生产等优点。
Claims (10)
1.一种电刷材料，所述的电刷材料由中间相炭微球和镀铜碳纤维组成，其中，中间相炭微球：镀铜碳纤维的质量比为75-99：25-1，优选中间相炭微球与镀铜碳纤维的质量比为 90-99：10-1。
2.根据权利要求1所述的电刷材料，所述中间相炭微球为未经炭化的中间相炭微球，优选所述中间相炭微球呈球形或近球形，长短径之比小于2，更优选所述中间相炭微球的平均粒径为3-30μm，最优选中间相炭微球的平均粒径为5-20μm。
3.根据权利要求1-2任一项所述的电刷材料，所述镀铜碳纤维的长度为0.1-5mm，优选其直径为0.5-10μm，更优选镀铜碳纤维中的铜含量为10-30%，最优选镀铜碳纤维中的铜含量为10-25%。
4.根据权利要求1-3任一项所述的电刷材料，所述电刷材料的磨损率为2.0-4.0 mg/h，优选为2.5-3.8 mg/h。
5.根据权利要求1-4任一项所述的电刷材料，所述电刷材料的平均摩擦系数为0.05-0.25，优选为0.05-0.20。
6.根据权利要求1-5任一项所述的电刷材料，所述电刷材料的肖氏硬度为60-100，优选为70-85。
7.根据权利要求1-2任一项所述的电刷材料，所述电刷材料的体积密度为1.70-2.0g/cm3，优选为1.75-1.90 g/cm3，更优选所述电刷材料的电阻率为18-35μΩm，最优选电刷材料的电阻率为20-30μΩm。
8.一种权利要求1-7任一项所述电刷材料的制备方法，所述的电刷材料由中间相炭微球和镀铜碳纤维组成，其中，中间相炭微球：镀铜碳纤维的质量比为75-99：25-1，优选中间相炭微球与镀铜碳纤维的质量比为 90-99：10-1，所述的制备方法包括下述步骤：
1）称取所需量的中间相炭微球与镀铜碳纤维，将其混合均匀，制得混合原料；
2）将混合原料装入热压模具中，在热压机中进行分阶段热压，优选所述的分阶段热压包括至少两阶段热压，制得模压材料；
3）将模压材料放入炭化炉中，在惰性气体保护下，在950-1200℃炭化2-8小时，自然冷却至室温，即得。
9.根据权利要求8所述的制备方法，所述的分阶段热压为两阶段热压，其中，第一阶段，以2℃/min的速率升温到100-300℃，压力增加至10-90Mpa，保温保压模压处理2-5小时；第二阶段，以2℃/min的速率升温到300-800℃，压力增加到90-300Mpa，保温保压模压处理2-8小时，自然冷却至室温，得到模压材料，优选第一阶段的压力为10-90Mpa，更优选第一阶段的压力为20-60Mpa，还优选第二阶段的压力为90-350Mpa，最优选第二阶段的压力为100-300Mpa。
10.权利要求1-7任一项所述的电刷材料或者权利要求8-9任一项所述制备方法制得的电刷材料用于制备电刷中的应用，优选所述的电刷为电机电刷，更优选所述电机电刷选自直流电机电刷、换向式电机电刷、交流电电机电刷、同步电动机电刷、电瓶直流电动机电刷、集电环电刷、电焊机电刷的任一种或其组合。
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