[发明专利]一种沥青基碳纤维增强铜基石墨电机碳刷及其制备方法

说明书

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。

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：