CN114039256B - 一种沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷及其制备方法 - Google Patents

一种沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷及其制备方法，包括：采用低压高频的等离子表面处理设备分别对铜粉、短切沥青基碳纤维、石墨进行表面处理，将表面处理后的铜粉、短切沥青基碳纤维、石墨同粘结剂混合，得到混合料，将所述混合料压制成坯体，对坯体进行烧结，得到沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷。通过等离子体处理碳纤维及石墨表面主要使得碳纤维的惰性表面出现多活性基团，进而防止碳纤维因分散不均匀发生脱落进而增加碳刷的磨损效果，添加沥青基碳纤维也提升了碳刷的导电性，减少铜粉及粘接剂的加入量，短切碳纤维的高模量也提高了碳刷的模量，使得碳刷在电机上可以有更长的使用寿命。

Description

一种沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷及其制备方法
技术领域
本发明属于碳刷技术领域，具体涉及沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷及其制备方法。
背景技术
碳刷也称电刷，是有刷永磁直流电机的核心零件，通过与换向器接触片的滑动而实现电流的换相。对于汽车用的碳刷，由于工作电压较低，而且工作电流密度高，其主要材质有基本成分的石墨、改善导电性能的金属(铜、银)、粘结作用的树脂(酚醛、环氧)、降低机械摩擦的润滑剂(二硫化钼、二硫化钨)等，多种成分协调作用，满足电机的导电、耐磨、低火花等基本要求。
在低压汽车电机用的碳刷上，石墨起到导电和自润滑的功能，但由于石墨的电阻率率约为(8～13)×10-6Ω·m，一定程度上制约了电机的高电流密度需求。因此汽车用碳刷基本都会添加电阻率为1.6730×10-8Ω·m的铜粉作为导电改善成分，添加比例一般约为20-60％的重量比。此外，由于石墨粉与铜粉之间的润湿性能差、咬合强度低，一般需要添加5-10％左右的树脂，通过乙醇或者丙酮溶剂分散的方法覆盖在石墨粉末表面，从而提升碳刷压坯的机械强度；树脂最终在高温烧结工序的时候碳化形成不定形碳，获得强度高的碳刷产品，但不定形碳的电阻率高达(5.0-8.0)×10-4Ω·m，因此成为影响碳刷电阻率的一个重要因素。
此外，由于石墨粉末表面惰性的原因，与树脂粘接剂的润湿性不佳，树脂容易在一些颗粒较小的石墨粉末表面富集，影响产品性能的一致性。而且，为了确保碳刷的基本强度，树脂的添加量一般都需要有一定的基本量。树脂最终碳化形成的不定形碳电阻率高，也就需要添加更多的铜粉以改善碳刷的导电性能，但铜粉的摩擦系数高、耐磨性差，铜/石墨复合材料电刷耐磨性和导电性互相制约的缺点，影响了碳刷的寿命。此外，不定形碳的硬度高于石墨粉末，会对碳刷摩擦面与换向器铜片表面的有效接触面积形成阻碍，这一方面会影响电机的电火花情况，加大电机的电磁辐射情况；另一方面也会增大电机的噪音。
随着当前新能源汽车的逐步的普及，低噪音、长寿命的碳刷成了汽车电机行业的迫切需求，各方研究人员也从新的成分配方、新的制备工艺等领域进行了综合的创新。中国专利CN 109524866A尝试了添加石墨烯-纳米碳纤维，并配套采用了等离子体高温烧结的全新工艺，但是这种方法具有明显的局限，难以实现真正的产业化:(1)石墨烯材料本身就尚未形成真正的产业化，而且因为表面能高而非常难以均匀分散；(2)专利中等离子体烧结的温度为2500℃，设备投资大，而且能耗大、生产效率低。因此，该专利只适合实验室制备样品。
碳纤维具有很高的比模量、比强度，在轴向有较高的抗拉强度及弹性模量，而且具有良好的导电导热性及一定的自润滑性性能，因此将短切碳纤维加入碳刷中可以很好的提高碳刷的机械强度及耐磨性。但是，由于碳纤维表面能低、表面化学惰性、缺乏有化学活性官能团，尤其是沥青基的高模量碳纤维具有高度石墨化的结构，导致分布在石墨中的碳纤维难以形成有效的均匀分散，而且也难以与树脂基体形成有效的接触，因此一般都难以达到理想的改善目的。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷及其制备方法，旨在解决现有的碳刷因为耐磨性和导电性相互制约导致电刷使用寿命缩短的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一种沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其中，包括步骤：
将铜粉、沥青基碳纤维、石墨分别用等离子体处理；
将用等离子体处理后的铜粉、沥青基碳纤维、石墨与粘结剂相混合，得到混合料；
将所述混合粉料在预定压力下压制成坯体；
将所述坯体在惰性气体中烧结，得到沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷；所述混合气体包含惰性气体和还原性气体。
可选地，所述的沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其中，所述将用等离子体处理后的铜粉、沥青基碳纤维、石墨与粘结剂相混合，得到混合料的步骤，具体包括：
将粘结剂溶解在有机溶剂中，得到粘结剂溶液；
将用等离子体处理后的沥青基碳纤维、石墨与所述粘结剂溶液相混合，得到预混物；
将用等离子体处理后的铜粉与所述预混物混合，升温将所述有机溶剂挥发，得到混合料。
可选地，所述的沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其中，所述石墨为鳞片石墨，所述石墨的D50粒径为20-50μm。
可选地，所述的沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其中，所述预定压力为200-300Mpa。
可选地，所述的沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其中，烧结温度为450℃-600℃，保温1-2小时；烧结气氛为常压N2/H2的还原性/惰性混合气氛。
可选地，所述的沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其中，所述铜粉的松装密度为0.9-1.5g/cm3。
可选地，所述的沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其中，所述沥青基碳纤维拉伸模量≥100GPa，拉伸强度≥1000MPa。
可选地，所述的沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其中，所述粘结剂为酚醛树脂或环氧树脂。
可选地，所述的沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其中，所述有机溶剂选自乙醇、丙酮。
一种沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷，其中，采用上述所述的制备方法制备得到。
有益效果：本发明所述的沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，通过等离子体处理沥青基碳纤维、石墨粉末、铜粉表面，主要使得高度石墨化的沥青基碳纤维的惰性表面出现多活性基团，进而可以充分利用沥青基碳纤维的导电性、高模量、高自润滑等特性，降低铜粉的需求量，提高了碳刷的抗摩擦性及机械强度，并防止碳纤维因分散不均匀发生脱落进而增加碳刷的磨损效果。使得碳刷在电机上可以有更长的使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷制备方法流程图；
图2是本发明实施例制备得到的沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷断面的电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
除非另有说明，否则本文使用的技术和科学术语具有本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义；表示原料含量的单位均基于质量以份计。作为本发明中的其它未特别注明的原材料、试剂均指本领域内通常使用的原材料和试剂。
碳刷(Carbon brush)也叫电刷，作为一种滑动接触件，在许多电气设备中得到广泛的应用。
铜粉为电解铜粉，是将粗铜制成厚板作为阳极，纯铜制成的薄片作为阴极，以硫酸铜和硫酸的混合液作为电解液，通电后铜从阳极溶解成铜离子向阴极移动，到达阴极后获得电子而在阴极析出的纯铜粉末。根据需要，铜粉的松装密度范围为0.9-1.5g/cm3，纯度≥99.5％。
沥青基碳纤维为短切沥青基碳纤维，其电阻率≤6×10-6Ω·m，拉伸模量≥100GPa，拉伸强度≥1000MPa，长度400-500μm。晶体结构高度石墨化的沥青基碳纤维具有良好的导电性，分布于不定形碳内除了起到有效的机械增强作用外，还能明显改善不定形碳及碳刷整体的导电性。因此，在本发明中基于选用了高模量碳纤维作为增强体、采用了低压高频的商用等离子工艺对原材料进行表面处理，可以有效降低主要影响碳刷导电性能的非定形碳的含量，在电机设计所需的碳刷电阻率及电流密度保持不变的前提下，碳刷所需的铜粉的添加量可以减少10-20％，从而大幅改善碳刷的使用寿命及噪音水平。
石墨粉是以鳞片石墨为原料经过研磨、过筛后得到，鳞片石墨粉的D50粒径为20-50μm，纯度≥99.5％。
粘结剂可以是酚醛树脂或环氧树脂，添加树脂作为粘合剂可以在压力成型时使短切沥青基碳纤维、石墨粉、铜粉之间的结合更加紧密，并在高温烧结碳化后提升产品的机械强度。其中，酚醛树脂的流动度为20-40mm，聚速为60-90S(在温度为150℃)，游离酚≤1.0。
如图1所示，本发明提供的一种沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其中，包括步骤：
S10、将铜粉、沥青基碳纤维、石墨分别用等离子体处理；其中，所述等离子处理为采用等离子表面处理机进行低压高频等离子处理。
S20、将用等离子体处理后的铜粉、沥青基碳纤维、石墨与粘结剂相混合，得到混合料；
S30、将所述混合料在预定压力下压制成坯体；
S40、将所述坯体在混合气体中烧结，得到沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷；所述混合气体包含惰性气体和还原性气体。
在本实施例中，通过采用低压高频等离子工艺分别对铜粉、沥青基碳纤维、石墨进行处理，激活表面形成更多活性位点，增强沥青基碳纤维与石墨之间的结合。然后通过添加酚醛树脂作为结合剂，使沥青基碳纤维与石墨之间的结合更加紧密。
在本实施例中，基于选用高模量碳纤维(沥青基碳纤维)作为增强体、采用了低压高频的商用等离子工艺对原材料进行表面处理，可以有效改善粘接剂在各原材料表面的润湿性能，并降低粘接剂的添加量，进而降低主要影响碳刷导电性能的非定形碳的含量，在电机设计所需的碳刷电阻率及电流密度保持不变的前提下，碳刷所需的铜粉的添加量可以减少10-20％，从而大幅改善碳刷的使用寿命及噪音水平。铜粉添加量的减少，可以增加电刷的使用寿命，降低原材料成本。
由于树脂粘接剂用量的减少，最终碳刷产品内部硬度相对较高的不定形碳的比例也大幅降低，也就意味着质软、自润滑的石墨成分占比升高，这有利于让碳刷摩擦面的整体硬度下降，与换向器的有效接触面积增加，从而降低碳刷与换向器跨槽时产生的电火花。这一方面可以降低电机的电火花腐蚀，提升电机的使用寿命，另一方面也可以有效降低电机的噪音。
进一步，本专利预先采用商业低压高频等离子对石墨、高模量碳纤维、铜粉进行表面活化处理，然后再进行传统的混粉、压制、高温烧结等生产工艺，生产成本低，可以快速产业化。此外，由于粉体原材料的活性基团多，碳刷的烧结温度能大幅降低30-50℃，这可以大幅降低生产能耗，达到良好的经济效益，也符合绿色环保的要求。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷，该碳刷采用上述制备方法制备得到。
下面通过具体的制备实施例来对本发明所提供的沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，做进一步的解释说明。
实施例1
(1)将鳞片石墨在钢板上摊开，摊开后鳞片石墨的厚度为1mm，以确保等离子表面活化的效果。将铺好鳞片石墨的钢板放入等离子处理机腔体内，腔体内等距离分布多层钢板，相邻钢板距离至少10cm以确保活化效果。开启真空泵，将腔体内真空度抽至30Pa，然后充入Ar/O2混合气体，Ar气体流量为60sccm，O2流量为10sccm，利用承载钢板与腔体内的微波源震荡产生的高频交变电磁场将Ar/O2气体电离，生成等离子体，频率为商业化等离子产品选用的13.5MHz；活性等离子体对鳞片石墨表面进行持续物理轰击，持续活化20分钟。
将鳞片石墨及承载钢板从等离子体处理机的腔体内部取出，使用另外一块承载钢板，将已经激活化一遍的鳞片石墨压住并将两承载钢板反转，去除位于上部的承载钢板，使得鳞片石墨实现翻转。将承载有鳞片石墨的钢板再次放入等离子处理机腔体内，重复进行上述活化处理工序，得到活化充分的鳞片石墨(粉)，待用。
(2)将铜粉在钢板上摊开，摊开后铜粉的厚度为1.5mm，以确保等离子表面活化的效果。将铺好铜粉的钢板放入等离子处理机腔体内，腔体内等距离分布多层钢板，相邻钢板距离至少10cm以确保活化效果。开启真空泵，将腔体内真空度抽至25Pa，然后充入Ar/O2混合气体，Ar气体流量为60sccm，O2流量为10sccm，利用承载钢板与腔体内的微波源震荡产生的高频交变电磁场将Ar/O2气体电离，生成等离子体，频率为13.5MHz；活性等离子体对铜粉表面进行持续物理轰击，持续活化15分钟。
将铜粉及承载钢板从等离子体处理机的腔体内部取出，使用另外一块承载钢板，将已经激活化一遍的铜粉压住并将两承载钢板反转，去除位于上部的承载钢板，使得铜粉实现翻转。将承载有铜粉的钢板再次放入等离子处理机腔体内，重复进行上述活化处理工序，得到活化充分的铜粉，待用。
(3)将短切沥青基碳纤维在钢板上摊开，摊开后短切沥青基碳纤维的厚度为1mm，以确保等离子表面活化的效果。将铺好短切沥青基碳纤维的钢板放入等离子处理机腔体内，腔体内等距离分布多层钢板，相邻钢板距离至少10cm以确保活化效果。开启真空泵，将腔体内真空度抽至20Pa，然后充入Ar/O2混合气体，Ar气体流量为60sccm，O2流量为10sccm，利用承载钢板与腔体内的微波源震荡产生的高频交变电磁场将Ar/O2气体电离，生成等离子体，频率为13.5MHz；活性等离子体对短切沥青基碳纤维表面进行持续物理轰击，持续活化30分钟。
将短切沥青基碳纤维及承载钢板从等离子体处理机的腔体内部取出，使用另外一块承载钢板，将已经激活化一遍的短切沥青基碳纤维压住并将两承载钢板反转，去除位于上部的承载钢板，使得短切沥青基碳纤维实现翻转。将承载有短切沥青基碳纤维的钢板再次放入等离子处理机腔体内，重复进行上述活化处理工序，得到活化充分的短切沥青基碳纤维，待用。
(4)然后再将鳞片石墨、短切沥青基碳纤维以及酚醛的乙醇溶液先后倒入混料机内，添加比例为酚醛乙醇溶液：石墨粉与短切沥青基碳纤维＝1：5，在60℃下先行混合处理30分钟得到预混料。基于酚醛树脂在石墨粉及短切沥青基碳纤维表面润湿性较差的考虑，混料初期并不加入表面润湿性相对较好的铜粉，以确保酚醛树脂在石墨粉末及碳纤维表面分布的均匀性。
然后，按照预混料：铜粉＝1:1的比例加入合适比例的电解铜粉，再继续混合15分钟，将温度升至80℃以加速残余乙醇溶剂的挥发，最终得到表面酚醛树脂粘接剂分布均匀、各材料组分也分布均匀的粉末原材料待用；
(5)将混粉后的粉料在200Mpa的压力下进行压制成型，保压时间约为2-3秒；基于铜粉添加比例达到了50％而原材料的塑性能力比较好，压制方式采取相对简易的单向压制，得到碳刷压坯；将碳刷压坯放入具有还原气氛的烧结炉中进行高温烧结，还原气氛为H2：N2＝3：7的混合气体，烧结温度为550℃，保温时间1小时，冷却后得到沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷。通过扫描电镜(SEM)对电机碳刷的断面进行观察，可以确认石墨、铜粉、碳纤维等组分的分布均匀，组织紧密，粘接牢固，而且无定型碳粘结层非常薄，达到了非常理想的效果。在24V直流电压下，电流稳定工作电流可以维持在20-25A/cm2的范围内。
实施例2
按照实施例1中的等离子处理方式，对鳞片石墨、铜粉、短切沥青基碳纤维进行等离子体活化处理，将已经等离子体处理好的鳞片石墨、短切沥青基碳纤维以及酚醛树脂的乙醇溶液先后倒入混料机内，添加比例为酚醛乙醇溶液：石墨粉与短切沥青基碳纤维＝1：10，在60℃下先行混合处理30分钟，得到预混料备用。基于酚醛树脂在石墨粉及短切沥青基碳纤维表面润湿性较差的考虑，混料初期并不加入表面润湿性较好的铜粉，以确保酚醛树脂在石墨粉末及碳纤维表面分布的均匀性；
然后，按照预混料：铜粉＝2:1的比例加入合适比例的电解铜粉，再继续混合20分钟，将温度升至80℃以加速残余乙醇溶剂的挥发，最终得到表面酚醛树脂粘接剂分布均匀、各材料组分也分布均匀的粉末原材料待用；
将混粉后的粉料在300Mpa的压力下进行压制成型，保压时间约为2-3秒；由于铜粉添加量只有33％，粉末原材料的塑性能力相对较差，压制方式选择双向压制，得到碳刷压坯；将碳刷压坯放入具有还原气氛的烧结炉中进行高温烧结，还原气氛为H2：N2＝3：7的混合气体，烧结温度为600℃，保温时间1小时，冷却后得到沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷。在24V直流电压下，电流稳定工作电流可以维持在18-23A/cm2的范围内。
实施例3
对比试验，在相同平台下，碳刷的压溃强度可以从常规工艺的200N提升到≥500N，抗弯强度可以从常规工艺的10MPa提高至≥13MPa，肖氏硬度却可以从常规工艺的10降低至≤8，空载及负载工况下噪音水平可以降低≥3db，寿命周期可以提高40％以上；而24V、50Hz的测试条件下EMC的改善情况如下：0-150MHz频谱下可以改善2db，而150-300MHz频谱范围内可以降低3db。碳刷的烧结温度能大幅降低30-50℃，从而节省大量的能耗。
综上所述，本发明提供了一种沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷及其制备方法，方法包括，采用低压高频的等离子表面处理设备分别对铜粉、短切沥青基碳纤维、石墨进行表面处理，将表面处理后的铜粉、短切沥青基碳纤维、石墨同粘结剂混合，得到混合料，将所述混合料压制成坯体，对坯体进行烧结，得到沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷。
通过采用等离子对碳纤维增强体表面预活化，使得可以选择石墨化程度非常高的高模量沥青基碳纤维作为增强体原材料，解决沥青基纤维因为表面惰性而导致的与酚醛树脂润湿不足的局限，并改善碳纤维增强体分散的均匀性。而沥青基碳纤维具有的高模量、高强度、导电性、自润滑特性，是切合碳刷自润滑、导电性能要求的最佳增强体材料。采用合适的等离子分别对石墨、铜粉、碳纤维增强体等各原材料进行表面活化处理，可以有效的充分改善酚醛粘结剂与各组分的润湿性，从而可以将粘结剂添加量从常规工艺所需的超过5％降低为本发明的2-3％，经过高温烧结工序的碳化后，导电性差、润滑性能差的无定型碳粘结层的厚度大幅减少至常规工艺的50％。
进一步，由于无定型碳粘结层的厚度大幅减少、添加的沥青基碳纤维具有良好的导电性，在碳刷电阻率及电流密度保持不变的前提下，碳刷所需的铜粉的添加量可以减少10-20％，从而大幅改善碳刷的使用寿命及噪音水平。本发明采用低压高频等离子对石墨、高模量碳纤维、铜粉等原材料先行进行表面活化处理，然后再进行传统的混粉、压制、高温烧结等生产工艺，生产成本低，可以承接原有的碳刷生产工艺及设备，从而实现快速产业化。此外，由于粉体原材料的活性基团多，这可以大幅降低生产能耗，达到良好的经济效益，也符合绿色环保的要求。
以上内容描述了本发明的基本原理、主要特征及性能优势。应当理解的是，本发明的性能与应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其特征在于，包括步骤：
将铜粉、沥青基碳纤维、石墨分别用等离子体处理；
将用等离子体处理后的铜粉、沥青基碳纤维、石墨与粘结剂相混合，得到混合料；
将所述混合料在预定压力下压制成坯体；
将所述坯体在混合气体中烧结，得到沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷；所述混合气体包含惰性气体和还原性气体；
所述将用等离子体处理后的铜粉、沥青基碳纤维、石墨与粘结剂相混合，得到混合料的步骤，具体包括：将粘结剂溶解在有机溶剂中，得到粘结剂溶液；将用等离子体处理后的沥青基碳纤维、石墨与所述粘结剂溶液相混合，得到预混物；将用等离子体处理后的铜粉与所述预混物混合，升温将所述有机溶剂挥发，得到混合料；
所述沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的肖氏硬度≤8Hs。
2.根据权利要求1所述的沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其特征在于，所述石墨为鳞片石墨，所述石墨的D50粒径为20-50μm。
3.根据权利要求1所述的沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其特征在于，所述预定压力为200-300Mpa。
4.根据权利要求1所述的沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其特征在于，烧结温度为450℃-600℃，保温1-2小时；所述惰性气体为氮气，还原性气体为氢气。
5.根据权利要求1所述的沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其特征在于，所述铜粉的松装密度为0.9-1.5g/cm3。
6.根据权利要求1所述的沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其特征在于，所述沥青基碳纤维拉伸模量≥100GPa，拉伸强度≥1000MPa。
7.根据权利要求1所述的沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为酚醛树脂或环氧树脂。
8.根据权利要求1所述的沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇或丙酮。
9.一种沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷，其特征在于，采用权利要求1-8任一所述的制备方法制备得到。
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CN106631083A (zh) * 2016-09-30 2017-05-10 巩义市泛锐熠辉复合材料有限公司 一种受电弓滑板用短切碳纤维增强碳/碳复合材料的制备方法
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低温等离子体技术在粉体表面处理中的应用;何铁石等;《材料导报》;第22卷(第S3期);第76-77页 *

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