碳納米管增強(qiáng)樹(shù)脂/石墨碳刷的制備與性能研究

晏義伍，曹海琳

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，廣東深圳518055;2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院，廣東深圳518057)

0 引 言

自從1991年日本電鏡專家Iijima［1］首先在高分辨透射電子顯微鏡下發(fā)現(xiàn)碳納米管(CNTs)以來(lái)，碳納米管優(yōu)異的性能激起了眾多研究人員對(duì)其結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用的研究。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)碳納米管具有高強(qiáng)度［2-3］、熱學(xué)［2，4］、導(dǎo)電性［5-7］和自潤(rùn)滑減磨［8］等一系列優(yōu)良性能。碳納米管的力學(xué)性能可以極大提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性［9，10］，其獨(dú)特的導(dǎo)電性能可以改善復(fù)合材料的導(dǎo)電性［11］。將碳納米管加入銀電刷中可以提高材料的電磨損性能［12-13］。但對(duì)碳納米管在樹(shù)脂-石墨電刷中的應(yīng)用還鮮見(jiàn)報(bào)道。本文采用粉末冶金方法制備了碳納米管增強(qiáng)樹(shù)脂/石墨復(fù)合材料，并加工成電機(jī)碳刷裝機(jī)運(yùn)行。研究了碳納米管的加入對(duì)樹(shù)脂-石墨碳刷材料的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的影響，并對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行了初步探討。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)用多壁碳納米管購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司，直徑為20～30 nm，長(zhǎng)度為10～30 m，純度大于95%，其原始形貌如圖1所示。基體采用德昌電機(jī)(深圳)有限公司的SFG-75人造石墨粉。粘結(jié)劑采用日本住友公司的環(huán)氧樹(shù)脂。

圖1 多壁碳納米管的原始形貌

1.2 復(fù)合材料的制備

碳納米長(zhǎng)徑比較大，容易團(tuán)聚在一起，本文采用酸處理改性碳納米管。將適量的碳納米管加入到HNO3∶H2SO4=1∶3的混合酸中，用超聲波清洗機(jī)在40℃下進(jìn)行超聲過(guò)濾4 h，然后用去離子水漂洗至中性，最后在真空烘干箱中110℃條件下烘干后備用。

采用傳統(tǒng)的粉末冶金法制備復(fù)合材料。將石墨粉與CNTs和環(huán)氧樹(shù)脂溶液混合造粒后成型固化而成。本文制備了未加碳納米管的樹(shù)脂/石墨電刷和碳納米管含量為1wt.%的碳刷(分別標(biāo)示為U98-A和U98-B)。具體的制備工藝如圖2所示。

圖2 碳納米管增強(qiáng)樹(shù)脂/石墨碳刷制備工藝流程圖

1.3 性能測(cè)試與表征

按照碳刷制品物理化學(xué)性能測(cè)試方法對(duì)電刷的破碎力、肖氏硬度、電阻率進(jìn)行了測(cè)定;碳刷的動(dòng)態(tài)性能是表示電刷在帶電滑動(dòng)接觸狀態(tài)下的性質(zhì)，它是衡量碳刷性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，主要包括摩擦系數(shù)、磨損量和接觸電壓降等。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)在德昌電機(jī)(深圳)有限公司自制的磨損試驗(yàn)機(jī)上模擬實(shí)際工作狀態(tài)下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳納米管對(duì)電刷靜態(tài)性能的影響

圖3和圖4分別是碳納米管對(duì)樹(shù)脂/石墨碳刷的彎曲強(qiáng)度和硬度的影響。從圖中可以看出，碳納米管的加入顯著提高了碳刷的彎曲強(qiáng)度和硬度，使碳刷的力學(xué)性能得以提高。碳刷的彎曲強(qiáng)度由17.6 MPa增加到 21.5 MPa，提高了 21.7%;D 型(指示型)肖式硬度計(jì)測(cè)定的碳刷肖式硬度值由19.7提高到 21.7。

由于碳納米管中碳原子采取SP2雜化，相比SP3雜化，SP2雜化中S軌道成分比較大，使碳納米管具有高模量、高強(qiáng)度等優(yōu)異的性能。碳納米管的硬度與金剛石相當(dāng)，CNTs抗拉強(qiáng)度達(dá)到50～200 GPa，是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6，通過(guò)在碳刷中添加碳納米管，可以明顯提高材料的硬度和強(qiáng)度，有利于碳刷耐磨性能提高。

圖5 碳納米管對(duì)碳刷電阻率的影響

作為電刷材料，電阻率是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)。圖5給出了樹(shù)脂-石墨碳刷的體積電阻率數(shù)值。從圖中可以看出，碳納米管的加入降低了碳刷的電阻率，下降幅度達(dá)17%。多壁碳納米管的電導(dǎo)率比樹(shù)脂高很多［14］，碳納米管加入不導(dǎo)電的環(huán)氧樹(shù)脂中，提高了環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)電性，從而降低了碳刷的電阻率。

2.2 碳納米管對(duì)電刷動(dòng)態(tài)性能的影響

2.2.1 摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)是衡量碳刷動(dòng)態(tài)性能最重要的物理量之一。圖6給出了兩種碳電刷的摩擦系數(shù)。從圖中可以看出，碳納米管的加入大大降低了碳刷的摩擦系數(shù)。碳刷的摩擦系數(shù)由0.24降低到0.19，下降幅度達(dá)21%。碳納米管的加入使碳刷摩擦系數(shù)減小，有利于減小對(duì)換向器的磨損。

圖6 碳納米管對(duì)碳刷摩擦系數(shù)的影響

電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，由于碳刷和換向器間的摩擦，會(huì)形成一層潤(rùn)滑膜，其主要是由石墨、金屬氧化物和大氣中的水組成。此潤(rùn)滑膜可降低換向器和碳刷間的摩擦系數(shù)，使電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。由于碳刷和換向器在電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生收縮電阻，導(dǎo)致溫度升高，會(huì)破壞潤(rùn)滑膜的均勻性和完整性，產(chǎn)生粘著磨損，導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大。碳納米管的結(jié)構(gòu)是石墨面圍成的中空?qǐng)A柱體，CNTs的管狀軸承效應(yīng)和自潤(rùn)滑效應(yīng)，使其具有優(yōu)異的自潤(rùn)滑性能［15］，加入碳納米管的碳刷在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)在換向器和碳刷間形成一層含碳納米管膜，保證了潤(rùn)滑膜的均勻性和完整性，使碳刷的摩擦系數(shù)減小。

2.2.2 磨損性能

圖7和圖8分別給出了碳刷電刷磨損量和形貌隨電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的變化。從圖中可以看出，隨著電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增加，碳刷的尺寸逐漸減小，磨損量增大;碳納米管的加入，降低了碳刷磨損程度，從而提高了碳刷的使用壽命。加入碳納米的碳刷使用壽命達(dá)到了814 h，比樹(shù)脂-石墨碳刷的壽命增加了近20%。

由于碳納米管優(yōu)異的各項(xiàng)性能，其加入樹(shù)脂/石墨碳刷中，降低了摩擦系數(shù)，同時(shí)硬度和強(qiáng)度的提高，增強(qiáng)其耐磨損性能，從而使碳刷的磨損量減小。

圖9給出了碳刷在400 h的磨損形貌。從圖9(a)中可以看出，不含碳納米管碳刷的磨損表面存在一些不連續(xù)的坑洞。這是因?yàn)樘妓⒈砻嬖陔娏髯饔孟庐a(chǎn)生收縮電阻，導(dǎo)致碳刷局部放電形成的電蝕坑(如圖10所示)，使?jié)櫥さ耐暾院途鶆蛐栽獾狡茐模瑥亩铀倭颂妓⒛p，降低了碳刷的使用壽命。從圖9(b)中可以看出，含碳納米管的電刷磨損表面光滑、均勻。這是因?yàn)榫哂凶詽?rùn)滑性質(zhì)的碳納米管加入電刷中，加速了氧化膜的形成，同時(shí)納米級(jí)別的碳納米管在界面形成的潤(rùn)滑膜，保證了潤(rùn)滑膜的均勻性和完整性，隔離了電刷和換向器的直接接觸，降低了電刷的磨損并提高了使用壽命。

圖9 碳刷磨損形貌

圖10給出了電刷電蝕坑的放大圖，從圖中可以看出，磨損表面存在白色區(qū)域(A)和黑色區(qū)域(B)，通過(guò)對(duì)這個(gè)區(qū)域進(jìn)行能譜分析表明，白色區(qū)域主要含有銅，而黑色區(qū)域主要為石墨。

圖10 碳刷磨損微觀形貌

磨損是接觸元件動(dòng)態(tài)相互作用的結(jié)果，它取決于機(jī)械、電氣、化學(xué)和電解等各種因素。具有自潤(rùn)滑性質(zhì)的碳納米管加入電刷中，加速了氧化膜的形成，同時(shí)納米級(jí)別的碳納米管在界面形成的潤(rùn)滑膜，保證了潤(rùn)滑膜的均勻性和完整性，隔離了電刷和換向器的直接接觸，降低了磨損率。

3 結(jié) 論

(1)碳納米管加入到樹(shù)脂/石墨碳刷中，使材料的彎曲強(qiáng)度和硬度提高;碳刷的彎曲強(qiáng)度由17.6 MPa 增加到 21.5 MPa，提高了 21.7%;碳刷的肖式硬度由19.7 提高到21.7。

(2)碳納米管加入到樹(shù)脂/石墨碳刷中，降低了碳刷的電阻率，下降幅度達(dá)17%。

(3)具有自潤(rùn)滑性質(zhì)的碳納米管加入碳刷中，碳刷的摩擦系數(shù)由0.24降低到0.19，下降幅度達(dá)21%。磨損率大大下降，碳刷的使用壽命提高了近20%。

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