[发明专利]碳刷和生产方法

说明书

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。

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。