CN111587518B - 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该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温度处理来生产，并且所述材料混合物是通过将石墨粉末与树脂和添加剂混合而形成的，其中所述树脂通过在压制过程之后的温度处理进行热解，并且以材料混合物的0.01至<5重量％的比例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热处理而获得，该材料共混物通过将石墨粉末与树脂和添加剂共混而获得，其中所述树脂通过压制之后的热处理被热解。
碳刷和具有碳基体的刷体特别适合于特殊应用，例如在燃料泵中。当在燃料环境中操作时或当所述刷在燃料泵中操作时，碳刷和与碳刷相互作用的换向器片必须满足特定的操作条件，该操作条件不能与燃料环境外部的操作条件相比。通过满足这些条件，发现在这种燃料环境中超过14伏特的临时过电压显著缩短刷-换向器系统的使用寿命，因为所述刷和换向器的磨损会由于该过电压而显著增加。因此，所讨论的刷体通常由石墨粉末和经热解的树脂制成的材料共混物制成。缺点在于这些刷体具有降低的断裂强度并且易于撕裂。通过捣固将绞线紧固在刷体上或孔中也可容易地导致刷体的撕裂。如果在燃料泵操作的同时碳刷破裂，则是特别不利的。
因此，本发明的目的是减小在生产碳刷时撕裂的可能性和操作期间碳刷破裂的可能性。
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热处理，该材料共混物通过将石墨粉末与树脂和添加剂共混获得，将石墨烯用作所述添加剂，所述树脂通过压制之后的热处理被热解，以所述材料共混物的0.01至<5重量％的比例将石墨烯用作添加剂。
令人惊讶地，仅将小比例的石墨烯添加到材料共混物中导致断裂强度的显著改善并且防止成品刷体的撕裂。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而进行机械加工时在刷体中形成裂缝。因此可以进一步提高电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，例如刷体的破损或在刷体的孔中捣固的绞线的松动。在这种情况下，如果材料共混物和成品刷体包含比例为0.01至＜5重量％的石墨烯就足够了。
天然石墨、人造石墨或电化石墨可以用于石墨粉末。当与石墨粉末共混时，树脂通常充当粘合剂并且可以作为液体或固体(例如粉末形状)使用。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。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。材料共混物可以例如借助于挤出机获得。已证实将石墨烯添加到材料共混物中能够改善刷体的其他物理性能。
树脂可以在压制之后或期间硬化，树脂的热解能够在≥500℃的温度下进行。因此，可以使用可硬化树脂，使得最初可以获得刷体的压缩模塑体，其由于树脂的硬化而是内在稳定的。然后可以例如在烘箱中对该压缩模塑体进行热处理，以使树脂基本上完全热解或变成碳。因此，使树脂碳化或热解意图在所述方法的范围内，由此显著地增大刷体的电阻率。
刷体可以具有在0.01至＜4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，此比例的石墨烯可以显著提高碳刷的刚性和性能。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刚性和性能。
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而使树脂硬化，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。溶剂也可以在共混器中蒸发，石墨烯能够与树脂共混，热处理能够在共混物已被压制之后进行。
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。
树脂可以是热固性或热塑性树脂，优选酚醛树脂。
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热解的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，并且刷体包含比例为0.01至＜5重量％的石墨烯。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。
根据本发明的燃料泵，特别是汽油泵或类似物，包括包含根据本发明的碳刷的电机。燃料泵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 (19)
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热处理而获得，所述材料共混物通过将石墨粉末与树脂和添加剂共混而获得，所述树脂通过在压制之后的热处理被热解，
其特征在于，
以所述材料共混物的0.01至<5重量％的比例将石墨烯用作所述添加剂，且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式添加到所述液体树脂中，和
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前或同时被除去，并且所述树脂被硬化，或
所述树脂是硬的并且被制成液体，将颗粒形式的所述石墨烯在与所述石墨粉末共混之前添加到所述液体树脂中，所述树脂被硬化并且研磨成粉末，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，其中所述接触结构为电机的换向器或集电环。
3.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
使所述树脂在压制之后或期间硬化，所述树脂的热解在≥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<4重量％的石墨烯。
5.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<3重量％的石墨烯。
6.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<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所述石墨粉末制成。
8.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，所述溶剂为丙酮。
9.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
将所述石墨烯和所述树脂均匀地分散。
10.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，将酚醛树脂用作树脂。
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)用作石墨烯。
13.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。
14.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，至少一个层具有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。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述刷体是双层的或三层的。
16.一种碳刷，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，并且所述刷体包含比例为0.01至<5重量％的石墨烯，且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式添加到所述液体树脂中，和
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前或同时被除去，并且所述树脂被硬化，或
所述树脂是硬的并且被制成液体，将颗粒形式的所述石墨烯在与所述石墨粉末共混之前添加到所述液体树脂中，所述树脂被硬化并且研磨成粉末，将所述粉末与所述石墨粉末共混。
17.根据权利要求16所述的碳刷，其中所述接触结构为电机的换向器或集电环。
18.一种燃料泵，其具有包括根据权利要求16或17所述的碳刷的电机。
19.根据权利要求18所述的燃料泵，其中所述燃料泵是汽油泵。
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