CN111512503B - 碳刷和生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳刷和一种用于生产碳刷的方法，所述碳刷用于电接触相对于碳刷移动的接触结构，特别是电机的换向器或集电环。所述碳刷的刷体通过将材料混合物压制和固化来生产，并且所述材料混合物通过将石墨粉末与可固化树脂和添加剂混合而形成，其中将石墨烯用作所述添加剂。
Description
本发明涉及一种碳刷和一种用于生产碳刷的方法，所述碳刷用于电接触相对于该碳刷移动的接触结构，特别是电机的换向器或集电环，碳刷的刷体通过将材料共混物压制和硬化而获得，该材料共混物通过将石墨粉末与可硬化树脂和添加剂共混而获得。
碳刷通常由刷体或附接有尾纤的刷体、阻尼元件等制成。刷体形成接触表面，该接触表面用于电接触移动的接触结构，如换向器或集电环。为了生产刷体，已经知晓将石墨粉末形式的碳与粘合剂共混并且对其进行加工而在压缩模塑方法中形成刷体。树脂通常用作粘合剂，辅助材料，如固体润滑剂和清洁剂并且甚至是金属粉末，能够被添加到由石墨粉末和树脂制成的材料共混物中作为添加剂，以设定碳刷的所需物理性能。
因此，EP 1 713 148 A1公开了一种用于生产碳刷的方法，其中将金属粉末添加到由碳粉末和热塑性粘合剂制成的粉状共混物中，并且在压缩模塑过程中对该粉状共混物进行加工以形成刷体。利用该已知的碳复合材料，将金属粉末添加到碳中以影响碳刷的材料电阻。
如果使用树脂作为粘合剂，则树脂可以在对刷体的压模体进行热处理的范围内被碳化，使得该树脂基本上完全变为碳。另一方面，仅使树脂硬化而没有使其碳化或热解也可能是有利的。因此，由于树脂的良好摩擦学性能所致，树脂可以延长碳刷的使用寿命。在碳刷(即刷体的接触表面)与接触结构(即换向器或集电环)之间规则地形成由氧化铜和刷磨料(grit)制成并且含有一部分树脂的中间层。该部分树脂产生增大的电过渡电阻，并且因此改善换向。因此，感应的短路电流必须两次经由换向器的两个相邻板条通过中间层。然而，由于树脂的电学性能所致，刷体的树脂基体相对于碳质基体导致刷体的电阻率增大。因此，作为基体材料，树脂包封石墨粉末的颗粒，这些颗粒仅以导电方式彼此部分地连接。通过将石墨粉末的颗粒紧密地锚固在树脂基体中，碳刷具有长的使用寿命，但其在产生火花时不太稳定。
因此，本发明的目的是提出一种用于生产碳刷的方法以及具有树脂基体并且具有低电阻率的碳刷本身。
这个目的通过具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求14的特征的碳刷得以实现。
利用根据本发明的用于生产碳刷的方法，所述碳刷用于电接触相对于该碳刷移动的接触结构，特别是电机的换向器或集电环，碳刷的刷体通过以下方式获得：将材料共混物压制并硬化，该材料共混物通过将石墨粉末与可硬化树脂和添加剂共混获得，将石墨烯用作所述添加剂。
材料共混物可以借助于挤出机获得，例如，通过使充当基体材料的树脂硬化来使材料共混物硬化而形成刷体。天然石墨、人造石墨或电化石墨可以用于石墨粉末。石墨烯是具有二维结构的碳的改性物(modification)，其中每个碳原子被另外三个原子以120°角包围。通常根据应用领域来选择层和其他参数。特别地，石墨烯的二维结构能够桥接石墨粉末的颗粒之间的空间，该空间填充有树脂，至少部分地填充有石墨烯颗粒而不会增大这些空间，如同具有不同添加剂的相对较大三维颗粒的情形一样。石墨烯颗粒有利地将0.1至1μm厚的树脂层散布在石墨颗粒周围，而不会增大石墨颗粒之间的距离。这使得能够显著改善刷体的导电性并且减小电阻率。此外，减小了在树脂相中提供的对摩擦的贡献，并且因此尤其减小了来自刷的噪音。此外，由此获得的刷体的机械性能也得到显著改善。石墨烯的添加可以有效地防止在进行压制或例如通过钻孔或研磨来进行机械加工时在刷体中形成裂缝。因此可以进一步提高刷体的稳定性和导热性。除了由此改善的刷体和碳刷的导电性之外，还可以最小化操作时间期间的碳刷的可能故障，例如刷体破损。由于产生火花对使用寿命和磨损的负面影响较小，所以碳刷的应用领域得到了扩展。
碳刷和刷体可以早在树脂硬化时获得，硬化能够在≤500℃的温度下进行。因此，防止了树脂的热解或其到碳的变化，使得树脂的最初描述的积极性能被保持。因此，将树脂碳化或热解不意图在所述方法的范围内。
刷体可以具有在0.01至＜5重量％，优选0.01至＜3重量％，特别优选0.01至＜2重量％的石墨烯比例。令人惊讶地，这种比例的石墨烯可以显著提高碳刷的性能。同时，仅需要将很少的石墨烯添加到材料共混物中，这意味着可以廉价地获得碳刷的改进性能。
有利地，材料共混物可以主要由石墨粉末制成。因此，材料共混物可以具有＞50重量％，优选＞90重量％的石墨比例。材料共混物还可以包含其他材料，例如固体润滑剂、研磨剂和/或金属粉末。碳刷和刷体的性能因此可以根据需要适应相应的用途。
树脂可以是液体的，并且可以在与石墨粉末混合之前将石墨烯以颗粒形状添加到液体树脂中。通常，树脂也可以是粉末形状，然而，如果树脂是液体则是特别有利的，因为石墨烯可以与液体树脂很好地共混。石墨烯可以作为一种粉末以颗粒形状使用，所述颗粒是具有二维结构的片状。取决于石墨烯的生产方法，二维结构的片可以是堆叠或未堆叠的。无论如何，石墨烯的颗粒不形成球体。
如果将液体树脂用溶剂(优选丙酮)稀释，则可以特别容易地获得材料共混物，该溶剂能够通过热处理在压制之后或期间除去，并且树脂能够被硬化。通过用溶剂稀释，可以获得特别均匀的材料共混物，其可以例如在挤出机中容易地加工。然后石墨烯可以与树脂特别良好地共混。可以通过热处理使溶剂蒸发并由此从材料共混物中除去来使树脂硬化，并且因此获得刷体。当对溶剂进行热处理或蒸发时，可以选择温度以开始树脂的硬化过程。
可选地，树脂可以是固体的并且使用溶剂将其液化，石墨烯能够在与石墨粉末共混之前以颗粒形状添加到液体树脂中，该树脂能够被硬化并且被加工成粉末，该粉末能够与石墨粉末混合。所述粉末可以以挤出的方式与石墨粉末共混。
有利地，石墨烯和树脂可以均匀地分散。然后可以将此分散体简单地与石墨粉末共混，从而使石墨烯容易地在整个材料共混物中均匀地分布并且因此在刷体中均匀地分布。
已经发现，当使用平均粒度≤2μm的石墨烯时，可以获得刷体的特别高的电导率。
树脂可以是能够被用作该树脂的热固性或热塑性树脂、环氧树脂、酚醛树脂、线型酚醛清漆或硅氧烷。硅氧烷可以是二有机聚硅氧烷。
氧化石墨烯(GO)、还原的氧化石墨烯(rGO)、石墨烯纳米片(GNO)和/或碳纳米管(CNT)可以用作石墨烯，其可以各自是单层或多层的。所使用的石墨烯可以特别地根据其生产方法进行功能化。通过使用特定的石墨烯，可以有利地调节碳刷的性能。
如果将单壁或多壁的碳纳米管(CNT)、炭黑和/或其他石墨烯改性物添加到添加剂中，则可以使碳刷的性能进一步有利地衍化。尤其对于炭黑而言，粒度相对较小是至关重要的。取决于石墨粉末的颗粒的尺寸分布，炭黑颗粒可以有利地填充石墨粉末的颗粒之间的较大空间。
刷体可以是多层的，优选是双层的或三层的，至少一个层具有添加剂并且能够配置为具有用于电接触接触结构的接触表面。刷体的远离接触结构的层可以例如具有偏差比例的石墨烯，或者甚至不含石墨烯。这些层可以在它们具有不同比例的石墨粉末和/或金属粉末的范围内不同。因此，可以获得这样的刷体，其能够在其接触表面处实现特别良好的电接触，并且同时能够在其与接触表面相对的端部处简单地紧固至绞线。
根据本发明的碳刷(其用于电接触相对于该碳刷移动的接触结构，特别是电机的换向器或集电环)由刷体制成，该刷体由硬化的材料共混物制成，该材料共混物由具有硬化树脂和颗粒形状的添加剂的石墨粉末制成，所述添加剂是石墨烯。关于根据本发明的碳刷的有利效果，参考对根据本发明的方法的优点的描述。碳刷的其他有利的实施方案从参考回到方法权利要求1的从属权利要求得到。
Claims (16)
1.一种用于生产碳刷的方法，所述碳刷用于电接触相对于所述碳刷移动的接触结构，所述碳刷的刷体通过将材料共混物压制和硬化而获得，所述材料共混物通过将石墨粉末与可硬化树脂和添加剂共混而获得，
其特征在于，
将石墨烯用作所述添加剂，所述石墨烯的平均粒度≤2μm，
所述树脂是液体的并且所述石墨烯在与所述石墨粉末共混之前以颗粒形状添加到液体树脂中，其中将所述液体树脂用溶剂稀释，所述溶剂通过热处理在压制之后或期间被除去，并且所述树脂被硬化，或
所述树脂是硬的并且被液化，将颗粒形状的所述石墨烯在与所述石墨粉末共混之前添加到液体树脂中，所述树脂被硬化并且被研磨成粉末，将所述粉末与所述石墨粉末共混。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂是丙酮。
3.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述碳刷通过使所述树脂硬化而获得，所述硬化在≤500℃的温度下进行。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述刷体包含比例为0.01至<5重量％的石墨烯。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述刷体包含比例为0.01至<3重量％的石墨烯。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述刷体包含比例为0.01至<2重量％的石墨烯。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述材料共混物主要由石墨粉末制成。
8.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
将石墨烯和树脂均匀地分散。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其特征在于，
将热固性或热塑性树脂用作所述树脂。
10.根据权利要求9所述的方法，其中将环氧树脂、酚醛树脂、线型酚醛清漆或硅氧烷用作所述树脂。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其特征在于，
将氧化石墨烯(GO)、还原的氧化石墨烯(rGO)、石墨烯纳米片(GNO)和/或碳纳米管(CNT)用作所述石墨烯。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其特征在于，
将单壁或多壁碳纳米管和/或炭黑添加到所述添加剂中。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述刷体是多层的，至少一个层包含所述添加剂并且被配置为具有用于电接触所述接触结构的接触表面。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述刷体是双层的或三层的。
15.一种碳刷，所述碳刷用于电接触相对于所述碳刷移动的接触结构，所述碳刷由刷体制成，所述刷体由硬化的材料共混物组成，所述材料共混物由具有硬化的树脂和颗粒状添加剂的石墨粉末制成，
其特征在于，
所述添加剂是石墨烯，所述石墨烯的平均粒度≤2μm，
所述树脂是液体的并且所述石墨烯在与所述石墨粉末共混之前以颗粒形状添加到液体树脂中，其中将所述液体树脂用溶剂稀释，所述溶剂通过热处理在压制之后或期间被除去，并且所述树脂被硬化，或
所述树脂是硬的并且被液化，将颗粒形状的所述石墨烯在与所述石墨粉末共混之前添加到液体树脂中，所述树脂被硬化并且被研磨成粉末，将所述粉末与所述石墨粉末共混。
16.根据权利要求15所述的碳刷，其中所述溶剂是丙酮。
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