CN114498229A - 一种碳刷及制备碳刷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制备碳刷的方法，其原料包括石墨粉、铜粉、沥青、碳纤维/环氧树脂复合材料废弃物，其包括步骤一，使用球磨机将碳纤维/环氧树脂复合材料废弃物球磨并过筛，得到短性碳纤维以及环氧树脂粉末；步骤二，将短性碳纤维、环氧树脂粉末、铜粉、石墨粉以及沥青置于密炼机中混炼均匀，冷却后使用颚式破碎机破碎成1‑5mm的注射料，混炼温度为150‑200℃，时间为1‑4h，转速为20‑60r/min；步骤三，将注射料置于料仓中，启动注射成型机，设置注射参数后开始注射，得到注射成型坯体，注射温度为130‑180℃，注射压力为30‑70MPa，保压压力为15‑20MPa；步骤四，将注射坯体埋于刚玉中后置于真空烧结炉中进行烧结得到碳刷，真空度为30‑40Pa，烧结温度为900‑1200℃。本发明制备的碳刷耐磨性高。
Description
【技术领域】
本发明涉及碳刷技术领域，尤其涉及一种碳刷及制备碳刷的方法。
【背景技术】
碳纤维/环氧树脂复合材料因其优异的性能被越来越广泛的应用于航空航天、军事、汽车、交通运输、建筑、体育和医疗等领域。然而，碳纤维/环氧树脂复合材料需求量越来越多将导致越来越多废弃物的产生，因此碳纤维/环氧树脂复合材料废弃物的处理已成为越来越急迫的问题。
目前回收碳纤维/环氧树脂复合材料的常用方法主要包括机械法、热解法以及化学法。其中，使用热解法和化学法回收碳纤维/环氧树脂复合材料往往需要高温或使用大量化学溶剂，成本较高且对环境污染严重。机械法成本低且污染较低，但往往只能获得短纤维且大部分被用于建筑行业。
碳刷也叫电刷，作为一种滑动接触件，在许多电气设备中得到广泛的应用。碳刷的作用主要是对金属磨擦的同时导电。碳刷是电动机和发电机中用来传导电流的重要零件，目前各类电机用电刷是用碳粉、石墨粉、金属粉以及粘结剂均匀混合后经磨粉、压型、烧结或固化处理而成碳刷坯体，电刷坯体再按图纸经过切削、挖孔以及磨面等后续加工才能被用于碳刷组件，工艺步骤复杂且容易导致碳刷在加工过程损坏。现有的碳刷在电动工具中，磨损率较高，严重缩短了碳刷的使用寿命，造成工作效率低下。
因此，实有必要提供一种新的碳刷及制备碳刷的方法解决上述技术问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种提高耐磨性、硬度且降低成本的碳刷及制备碳刷的方法，以解决相关技术中的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种制备碳刷的方法，其原料包括石墨粉、铜粉、沥青、碳纤维/环氧树脂复合材料废弃物，其包括步骤一，使用球磨机将所述碳纤维/环氧树脂复合材料废弃物球磨并过筛，得到短性碳纤维以及环氧树脂粉末；步骤二，将所述短性碳纤维、所述环氧树脂粉末、所述铜粉、所述石墨粉以及所述沥青置于密炼机中混炼均匀，冷却后使用颚式破碎机破碎成 1-5mm的注射料，混炼温度为150-200℃，时间为1-4h，转速为20-60r/min；步骤三，将所述注射料置于料仓中，启动注射成型机，设置注射参数后开始注射，得到注射成型坯体，注射温度为130-180℃，注射压力为30-70MPa，保压压力为15-20MPa；步骤四，将所述注射坯体埋于刚玉中后置于真空烧结炉中进行烧结得到碳刷，真空度为30-40Pa，烧结温度为900-1200℃。
更优地，所述石墨粉的质量百分含量为60-80％，所述铜粉的质量百分含量为5-15％，所述沥青的质量百分含量为10-20％，所述碳纤维/环氧树脂复合材料废弃物的质量百分含量为5-15％。
更优地，所述短性碳纤维长度为1mm，所述环氧树脂粉末为2000目。
更优地，所述铜粉为5000目，所述石墨粉为325目，所述刚玉为80目。
为了达到上述目的，本发明提供了一种碳刷，所述碳刷是所述制备碳刷的方法制备得到的。
本发明一种碳刷及制备碳刷的方法的技术效果为：通过回收碳纤维/环氧树脂复合材料制备碳刷从而实现废弃物回收利用、变废为宝且工艺简单、成本低，制备的碳刷硬度高、耐磨性能优异，且可以直接组合成为碳刷组件，无需后续切削、磨面以及打孔等工艺，简化了碳刷的制备工艺，降低了加工成本，提高了成品率。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一种碳刷及制备碳刷的方法，其原料包括石墨粉、铜粉、沥青、碳纤维/环氧树脂复合材料废弃物，其中石墨粉的质量百分含量为60-80％，铜粉的质量百分含量为5-15％，沥青的质量百分含量为10-20％，碳纤维/环氧树脂复合材料废弃物的质量百分含量为5-15％。
本发明一种制备碳刷的方法包括：
步骤一，使用球磨机将碳纤维/环氧树脂复合材料废弃物球磨并过筛，得到短性碳纤维以及环氧树脂粉末；
步骤二，将短性碳纤维、环氧树脂粉末、铜粉、石墨粉以及沥青置于密炼机中混炼均匀，冷却后使用颚式破碎机破碎成1-5mm的注射料，混炼温度为 150-200℃，时间为1-4h，转速为20-60r/min；
步骤三，将注射料置于料仓中，启动注射成型机，设置注射参数后开始注射，得到注射成型坯体，注射温度为130-180℃，注射压力为30-70MPa，保压压力为15-20MPa；
步骤四，将注射坯体埋于80目刚玉中后置于真空烧结炉中进行烧结得到碳刷，真空度为30-40Pa，烧结温度为900-1200℃。
在本发明中，使用机械法将碳纤维环氧树脂复合材料废弃物制备成为1mm 左右短性碳纤维以及2000目的环氧树脂粉体，随后将其与沥青、铜粉以及石墨粉混合成为注射料，随后经注射成型、烧结工艺后制备成为碳刷，促进了环氧树脂/碳纤维复合材料废弃物的回收。
铜粉具有高的导电性，在碳刷材料中添加铜粉能够保证碳刷材料高的导电性。铜粉为5000目，石墨粉为325目，但不限于此。
短性碳纤维在混料过程中被均匀分散在注射料中，经真空烧结后，碳纤维无质量损失，均匀分布在碳刷中，起到增韧的效果，另外碳纤维具有良好的耐磨性和硬度，将其加入碳刷中，能够提高碳刷耐磨性和硬度。
沥青作为粘结剂，粘结强度大，有利于提高碳刷材料的强度。另外，沥青具有优异的热塑性，可以调整混合料的流变性能，使其适用于注射成型工艺。
环氧树脂粉末和沥青在真空烧结过程中转变为炭黑，具有优异的导电性能，与少量金属配合使用，减少金属含量，能减少电流过大时，产生电火花过大的问题。沥青和环氧树脂中含有少量氮元素，在烧结过程中相当于制备了氮掺杂碳材料，使材料具有较高的化学活性和导电率。另外，环氧树脂和沥青在真空烧结过程中生成的炭黑会在摩擦表面形成光滑的碳膜，促使磨损表面光滑平整，减小了摩擦系数，磨损机制也从粘着磨损变为磨粒磨损，最终促使磨损率大幅度降低。
使用注射成型工艺制备碳刷，在烧结后无需经过切削、打孔等步骤即可组装成为碳刷组件，简化了制备工艺、降低了加工成本，提高了成品率。
烧结方式为真空烧结和埋粉烧结相结合，其中真空烧结可以有效避免沥青和环氧树脂的燃烧以及石墨粉和铜粉的氧化，埋粉烧结过程中使用80目的刚玉为埋粉，首先，在烧结过程中其可以作为支撑体防止碳刷变形，其次，其堆集孔较大，不会对熔融沥青形成吸附。
本发明一种碳刷，是由制备碳刷的方法制备得到的。碳刷具有良好的耐磨性和硬度，且无需经过切削、打孔等步骤即可组装成为碳刷组件。
实施例1
使用球磨机将碳纤维/环氧树脂复合材料废弃物球磨并过筛，得到长度为1mm左右的短性碳纤维以及2000目的环氧树脂粉末；
称取20g环氧树脂粉末、50g铜粉、850g石墨粉以及130g沥青置于密炼机中混炼，温度为180℃，转速为40r/min，时间为2h，混炼均匀后将其冷却并使用颚式破碎机破碎成1-5mm的注射料；
将注射料置于料仓中，启动注射成型机进行注射成型，得到注射成型坯体，注射温度为150℃，注射压力为50Mpa，保压压力为10MPa；
将注射坯体埋于80目刚玉中后置于真空烧结炉中进行烧结得到碳刷，腔体真空度为30-40Pa，烧结温度为：1℃/min升温至600℃，4℃/min升温至1000℃并保温2h。
继续测试碳刷的性能，其肖氏硬度为27、抗折强度19.2MPa、电阻率为 36μΩ.m。
采用实施例1制得的碳刷与德国欧诺华公司购买的豆浆机碳刷分别添加进马达中用于两台豆浆机中，每天榨汁4h，2个月后检测磨损率，结果表明，实施例制1得的碳刷磨损率较进口马达碳刷的磨损率高5％。
实施例2
(1)使用球磨机将碳纤维/环氧树脂复合材料废弃物球磨并过筛，得到长度为 1mm左右的短性碳纤维以及2000目的环氧树脂粉末；
(2)称取50g短性碳纤维、20g环氧树脂粉末、50g铜粉、750g石墨粉以及130g 沥青置于密炼机中混炼，温度为180℃，转速为40r/min，时间为2h，混炼均匀后将其冷却并使用颚式破碎机破碎成1-5mm的注射料；
(3)将注射料置于料仓中，启动注射成型机进行注射成型，得到注射成型坯体，注射温度为150℃，注射压力为50Mpa，保压压力为10MPa；
(4)将注射坯体埋于80目刚玉中后置于真空烧结炉中进行烧结得到碳刷，腔体真空度为30-40Pa，烧结温度为：1℃/min升温至600℃，4℃/min升温至1000℃并保温2h。
测试碳刷的性能，其肖氏硬度为33、抗折强度23.6MPa、电阻率为51μΩ.m。采用实施例2制得的碳刷与德国欧诺华公司购买的豆浆机碳刷分别添加进马达中用于两台豆浆机中，每天榨汁4h，2个月后检测磨损率，结果表明，实施例 2制得的碳刷磨损率较进口马达碳刷的磨损率低3％。
在本实施例中，碳纤维的加入促使碳刷耐磨性能和硬度提高，从而降低了磨损率。
实施例3
使用球磨机将碳纤维/环氧树脂复合材料废弃物球磨并过筛，得到长度为 1mm左右的短性碳纤维以及2000目的环氧树脂粉末；
称取50g短性碳纤维、20g环氧树脂粉末、50g铜粉、750g石墨粉以及130g 沥青置于密炼机中混炼，温度为180℃，转速为40r/min，时间为2h，混炼均匀后将其冷却并使用颚式破碎机破碎成1-5mm的注射料；
将注射料置于料仓中，启动注射成型机进行注射成型，得到注射成型坯体，注射温度为150℃，注射压力为50Mpa，保压压力为10MPa；
将注射坯体埋于80目刚玉中后置于真空烧结炉中进行烧结得到碳刷，腔体真空度为30-40Pa，烧结温度为：1℃/min升温至600℃，4℃/min升温至1200℃并保温2h。
测试碳刷的性能，其肖氏硬度为35、抗折强度24.4MPa、电阻率为44μΩ.m。
采用实施例3制得的碳刷与德国欧诺华公司购买的豆浆机碳刷分别添加进马达中用于两台豆浆机中，每天榨汁4h，2个月后检测磨损率，结果表明，实施例3制得的碳刷磨损率较进口马达碳刷的磨损率低7％。
在实施例3中，提高烧结温度导致铜粉熔融成液相，并在碳刷中构建了交联的铜网，促使电阻率降低，减少了电火花产生的概率，避免了电火花侵蚀，从而导致磨损率降低。
实施例4
使用球磨机将碳纤维/环氧树脂复合材料废弃物球磨并过筛，得到长度为 1mm左右的短性碳纤维以及2000目的环氧树脂粉末；
称取80g短性碳纤维、30g环氧树脂粉末、50g铜粉、700g石墨粉以及140g 沥青置于密炼机中混炼，温度为180℃，转速为40r/min，时间为2h，混炼均匀后将其冷却并使用颚式破碎机破碎成1-5mm的注射料；
将注射料置于料仓中，启动注射成型机进行注射成型，得到注射成型坯体，注射温度为150℃，注射压力为50Mpa，保压压力为10MPa；
将注射坯体埋于80目刚玉中后置于真空烧结炉中进行烧结得到碳刷，腔体真空度为30-40Pa，烧结温度为：1℃/min升温至600℃，4℃/min升温至1200℃并保温2h。
继续测试碳刷的性能，其肖氏硬度为40、抗折强度27.6MPa、电阻率为 67μΩ.m；
采用实施例4制得的碳刷与德国欧诺华公司购买的豆浆机碳刷分别添加进马达中用于两台豆浆机中，每天榨汁4h，2个月后检测磨损率，结果表明，实施例4制得的碳刷磨损率较进口马达碳刷的磨损率低5％。
在实施例4中，进一步提高了碳刷中碳纤维含量，导致电阻率显著升高，促使碳刷在工作过程中产生了更多的热量，从而导致磨损率升高。
实施例5
使用球磨机将碳纤维/环氧树脂复合材料废弃物球磨并过筛，得到长度为 1mm左右的短性碳纤维以及2000目的环氧树脂粉末；
称取80g短性碳纤维、20g环氧树脂粉末、70g铜粉、700g石墨粉以及130g 沥青置于密炼机中混炼，温度为180℃，转速为40r/min，时间为2h，混炼均匀后将其冷却并使用颚式破碎机破碎成1-5mm的注射料；
将注射料置于料仓中，启动注射成型机进行注射成型，得到注射成型坯体，注射温度为150℃，注射压力为50Mpa，保压压力为10MPa；
将注射坯体埋于80目刚玉中后置于真空烧结炉中进行烧结得到碳刷，腔体真空度为30-40Pa，烧结温度为：1℃/min升温至600℃，4℃/min升温至1200℃并保温2h。
继续测试碳刷的性能，其肖氏硬度为38、抗折强度26.5MPa、电阻率为 38μΩ.m。
采用实施例5制得的碳刷与德国欧诺华公司购买的豆浆机碳刷分别添加进马达中用于两台豆浆机中，每天榨汁4h，2个月后检测磨损率，结果表明，实施例5制得的碳刷磨损率较进口马达碳刷的磨损率低13％。
在实施例5中，同时提高了碳刷中碳纤维和铜粉的含量，在提高碳刷材料硬度和耐磨性能的同时促使电阻率降低，避免了碳刷过热，从而促使磨损率降低。
采用本发明一种碳刷及制备碳刷的方法具有以下优点：通过回收碳纤维/ 环氧树脂复合材料制备碳刷从而实现废弃物回收利用、变废为宝且工艺简单，成本低，制备的碳刷硬度高、耐磨性能优异，且可以直接组合成为碳刷组件，无需后续切削、磨面以及打孔等工艺，简化了碳刷的制备工艺，降低了加工成本，提高了成品率。
最后应说明的是：以上实施例仅以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种制备碳刷的方法，其特征在于：其原料包括石墨粉、铜粉、沥青、碳纤维/环氧树脂复合材料废弃物，其包括步骤一，使用球磨机将所述碳纤维/环氧树脂复合材料废弃物球磨并过筛，得到短性碳纤维以及环氧树脂粉末；
步骤二，将所述短性碳纤维、所述环氧树脂粉末、所述铜粉、所述石墨粉以及所述沥青置于密炼机中混炼均匀，冷却后使用颚式破碎机破碎成1-5mm的注射料，混炼温度为150-200℃，时间为1-4h，转速为20-60r/min；
步骤三，将所述注射料置于料仓中，启动注射成型机，设置注射参数后开始注射，得到注射成型坯体，注射温度为130-180℃，注射压力为30-70MPa，保压压力为15-20MPa；
步骤四，将所述注射坯体埋于刚玉中后置于真空烧结炉中进行烧结得到碳刷，真空度为30-40Pa，烧结温度为900-1200℃。
2.根据权利要求1所述的一种制备碳刷的方法，其特征在于，所述石墨粉的质量百分含量为60-80％，所述铜粉的质量百分含量为5-15％，所述沥青的质量百分含量为10-20％，所述碳纤维/环氧树脂复合材料废弃物的质量百分含量为5-15％。
3.根据权利要求2所述的一种制备碳刷的方法，其特征在于，所述短性碳纤维长度为1mm，所述环氧树脂粉末为2000目。
4.根据权利要求3所述的一种制备碳刷的方法，其特征在于，所述铜粉为5000目，所述石墨粉为325目，所述刚玉为80目。
5.一种碳刷，其特征在于，所述碳刷是由权利要求1至4中任意一项所述的一种制备碳刷的方法制备得到的。
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