碳納米管增強樹脂/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，碳納米管優(yōu)異的性能激起了眾多研究人員對其結(jié)構(gòu)、性能和應用的研究。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)碳納米管具有高強度［2-3］、熱學［2，4］、導電性［5-7］和自潤滑減磨［8］等一系列優(yōu)良性能。碳納米管的力學性能可以極大提高復合材料的強度和韌性［9，10］，其獨特的導電性能可以改善復合材料的導電性［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］。但對碳納米管在樹脂-石墨電刷中的應用還鮮見報道。本文采用粉末冶金方法制備了碳納米管增強樹脂/石墨復合材料，并加工成電機碳刷裝機運行。研究了碳納米管的加入對樹脂-石墨碳刷材料的靜態(tài)和動態(tài)性能的影響，并對其作用機理進行了初步探討。

1 試驗

1.1 原材料

試驗用多壁碳納米管購自中國科學院成都有機化學有限公司，直徑為20～30 nm，長度為10～30 m，純度大于95%，其原始形貌如圖1所示?；w采用德昌電機(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)氧樹脂。

圖1 多壁碳納米管的原始形貌

1.2 復合材料的制備

碳納米長徑比較大，容易團聚在一起，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，用超聲波清洗機在40℃下進行超聲過濾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合材料。將石墨粉與CNTs和環(huán)氧樹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脂/石墨電刷和碳納米管含量為1wt.%的碳刷(分別標示為U98-A和U98-B)。具體的制備工藝如圖2所示。

圖2 碳納米管增強樹脂/石墨碳刷制備工藝流程圖

1.3 性能測試與表征

按照碳刷制品物理化學性能測試方法對電刷的破碎力、肖氏硬度、電阻率進行了測定;碳刷的動態(tài)性能是表示電刷在帶電滑動接觸狀態(tài)下的性質(zhì)，它是衡量碳刷性能優(yōu)劣的標準，主要包括摩擦系數(shù)、磨損量和接觸電壓降等。動態(tài)試驗在德昌電機(深圳)有限公司自制的磨損試驗機上模擬實際工作狀態(tài)下進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳納米管對電刷靜態(tài)性能的影響

圖3和圖4分別是碳納米管對樹脂/石墨碳刷的彎曲強度和硬度的影響。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度和硬度，使碳刷的力學性能得以提高。碳刷的彎曲強度由17.6 MPa增加到 21.5 MPa，提高了 21.7%;D 型(指示型)肖式硬度計測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、高強度等優(yōu)異的性能。碳納米管的硬度與金剛石相當，CNTs抗拉強度達到50～200 GPa，是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6，通過在碳刷中添加碳納米管，可以明顯提高材料的硬度和強度，有利于碳刷耐磨性能提高。

圖5 碳納米管對碳刷電阻率的影響

作為電刷材料，電阻率是一項重要的性能指標。圖5給出了樹脂-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17%。多壁碳納米管的電導率比樹脂高很多［14］，碳納米管加入不導電的環(huán)氧樹脂中，提高了環(huán)氧樹脂的導電性，從而降低了碳刷的電阻率。

2.2 碳納米管對電刷動態(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21%。碳納米管的加入使碳刷摩擦系數(shù)減小，有利于減小對換向器的磨損。

圖6 碳納米管對碳刷摩擦系數(shù)的影響

電機在運行過程中，由于碳刷和換向器間的摩擦，會形成一層潤滑膜，其主要是由石墨、金屬氧化物和大氣中的水組成。此潤滑膜可降低換向器和碳刷間的摩擦系數(shù)，使電機運行平穩(wěn)。由于碳刷和換向器在電流通過時產(chǎn)生收縮電阻，導致溫度升高，會破壞潤滑膜的均勻性和完整性，產(chǎn)生粘著磨損，導致摩擦系數(shù)增大。碳納米管的結(jié)構(gòu)是石墨面圍成的中空圓柱體，CNTs的管狀軸承效應和自潤滑效應，使其具有優(yōu)異的自潤滑性能［15］，加入碳納米管的碳刷在運行過程中，會在換向器和碳刷間形成一層含碳納米管膜，保證了潤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運行時間的變化。從圖中可以看出，隨著電機運行時間的增加，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到了814 h，比樹脂-石墨碳刷的壽命增加了近20%。

由于碳納米管優(yōu)異的各項性能，其加入樹脂/石墨碳刷中，降低了摩擦系數(shù)，同時硬度和強度的提高，增強其耐磨損性能，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。這是因為碳刷表面在電流作用下產(chǎn)生收縮電阻，導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?，從而加速了碳刷磨損，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。這是因為具有自潤滑性質(zhì)的碳納米管加入電刷中，加速了氧化膜的形成，同時納米級別的碳納米管在界面形成的潤滑膜，保證了潤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)，通過對這個區(qū)域進行能譜分析表明，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

磨損是接觸元件動態(tài)相互作用的結(jié)果，它取決于機械、電氣、化學和電解等各種因素。具有自潤滑性質(zhì)的碳納米管加入電刷中，加速了氧化膜的形成，同時納米級別的碳納米管在界面形成的潤滑膜，保證了潤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)碳納米管加入到樹脂/石墨碳刷中，使材料的彎曲強度和硬度提高;碳刷的彎曲強度由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)碳納米管加入到樹脂/石墨碳刷中，降低了碳刷的電阻率，下降幅度達17%。

(3)具有自潤滑性質(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21%。磨損率大大下降，碳刷的使用壽命提高了近20%。

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