[發明專利]一種瀝青基碳纖維增強銅基石墨電機碳刷及其制備方法

在審

• 申請號: 202111594449.1
• 申請日: 2021-12-23
• 公開（公告）號: CN114039256A
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 何亮;謝盛輝;郝瑞平;胡盛康
• 申請（專利權）人: 捷和電機制品（深圳）有限公司;深圳大學
• 主分類號: H01R39/20
• 分類號: H01R39/20;H01R39/26;H01R43/12
• 代理公司: 深圳市君勝知識產權代理事務所(普通合伙) 44268
• 代理人: 劉芙蓉

本發明公開了一種瀝青基碳纖維增強銅基石墨電機碳刷及其制備方法，包括：采用低壓高頻的等離子表面處理設備分別對銅粉、短切瀝青基碳纖維、石墨進行表面處理，將表面處理后的銅粉、短切瀝青基碳纖維、石墨同粘結劑混合，得到混合料，將所述混合料壓制成坯體，對坯體進行燒結，得到瀝青基碳纖維增強銅基石墨電機碳刷。通過等離子體處理碳纖維及石墨表面主要使得碳纖維的惰性表面出現多活性基團，進而防止碳纖維因分散不均勻發生脫落進而增加碳刷的磨損效果，添加瀝青基碳纖維也提升了碳刷的導電性，減少銅粉及粘接劑的加入量，短切碳纖維的高模量也提高了碳刷的模量，使得碳刷在電機上可以有更長的使用壽命。

技術領域

本發明屬于碳刷技術領域，具體涉及瀝青基碳纖維增強銅基石墨電機碳刷及其制備方法。

背景技術

碳刷也稱電刷，是有刷永磁直流電機的核心零件，通過與換向器接觸片的滑動而實現電流的換相。對于汽車用的碳刷，由于工作電壓較低，而且工作電流密度高，其主要材質有基本成分的石墨、改善導電性能的金屬(銅、銀)、粘結作用的樹脂(酚醛、環氧)、降低機械摩擦的潤滑劑(二硫化鉬、二硫化鎢)等，多種成分協調作用，滿足電機的導電、耐磨、低火花等基本要求。

在低壓汽車電機用的碳刷上，石墨起到導電和自潤滑的功能，但由于石墨的電阻率率約為(8～13)×10^-6Ω·m，一定程度上制約了電機的高電流密度需求。因此汽車用碳刷基本都會添加電阻率為1.6730×10^-8Ω·m的銅粉作為導電改善成分，添加比例一般約為20-60％的重量比。此外，由于石墨粉與銅粉之間的潤濕性能差、咬合強度低，一般需要添加5-10％左右的樹脂，通過乙醇或者丙酮溶劑分散的方法覆蓋在石墨粉末表面，從而提升碳刷壓坯的機械強度；樹脂最終在高溫燒結工序的時候碳化形成不定形碳，獲得強度高的碳刷產品，但不定形碳的電阻率高達(5.0-8.0)×10^-4Ω·m，因此成為影響碳刷電阻率的一個重要因素。

此外，由于石墨粉末表面惰性的原因，與樹脂粘接劑的潤濕性不佳，樹脂容易在一些顆粒較小的石墨粉末表面富集，影響產品性能的一致性。而且，為了確保碳刷的基本強度，樹脂的添加量一般都需要有一定的基本量。樹脂最終碳化形成的不定形碳電阻率高，也就需要添加更多的銅粉以改善碳刷的導電性能，但銅粉的摩擦系數高、耐磨性差，銅/石墨復合材料電刷耐磨性和導電性互相制約的缺點，影響了碳刷的壽命。此外，不定形碳的硬度高于石墨粉末，會對碳刷摩擦面與換向器銅片表面的有效接觸面積形成阻礙，這一方面會影響電機的電火花情況，加大電機的電磁輻射情況；另一方面也會增大電機的噪音。

隨著當前新能源汽車的逐步的普及，低噪音、長壽命的碳刷成了汽車電機行業的迫切需求，各方研究人員也從新的成分配方、新的制備工藝等領域進行了綜合的創新。中國專利CN 109524866A嘗試了添加石墨烯-納米碳纖維，并配套采用了等離子體高溫燒結的全新工藝，但是這種方法具有明顯的局限，難以實現真正的產業化:(1)石墨烯材料本身就尚未形成真正的產業化，而且因為表面能高而非常難以均勻分散；(2)專利中等離子體燒結的溫度為2500℃，設備投資大，而且能耗大、生產效率低。因此，該專利只適合實驗室制備樣品。

碳纖維具有很高的比模量、比強度，在軸向有較高的抗拉強度及彈性模量，而且具有良好的導電導熱性及一定的自潤滑性性能，因此將短切碳纖維加入碳刷中可以很好的提高碳刷的機械強度及耐磨性。但是，由于碳纖維表面能低、表面化學惰性、缺乏有化學活性官能團，尤其是瀝青基的高模量碳纖維具有高度石墨化的結構，導致分布在石墨中的碳纖維難以形成有效的均勻分散，而且也難以與樹脂基體形成有效的接觸，因此一般都難以達到理想的改善目的。

發明內容

針對上述存在的問題，本發明旨在提供一種瀝青基碳纖維增強銅基石墨電機碳刷及其制備方法，旨在解決現有的碳刷因為耐磨性和導電性相互制約導致電刷使用壽命縮短的問題。

本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案如下：

一種瀝青基碳纖維增強銅基石墨電機碳刷的制備方法，其中，包括步驟：