碳纳米管增强树脂/石墨碳刷的制备与性能研究

晏义伍，曹海琳

(1.哈尔滨工业大学深圳研究生院，广东深圳518055;2.深圳航天科技创新研究院，广东深圳518057)

0 引 言

自从1991年日本电镜专家Iijima［1］首先在高分辨透射电子显微镜下发现碳纳米管(CNTs)以来，碳纳米管优异的性能激起了众多研究人员对其结构、性能和应用的研究。已经发现碳纳米管具有高强度［2-3］、热学［2，4］、导电性［5-7］和自润滑减磨［8］等一系列优良性能。碳纳米管的力学性能可以极大提高复合材料的强度和韧性［9，10］，其独特的导电性能可以改善复合材料的导电性［11］。将碳纳米管加入银电刷中可以提高材料的电磨损性能［12-13］。但对碳纳米管在树脂-石墨电刷中的应用还鲜见报道。本文采用粉末冶金方法制备了碳纳米管增强树脂/石墨复合材料，并加工成电机碳刷装机运行。研究了碳纳米管的加入对树脂-石墨碳刷材料的静态和动态性能的影响，并对其作用机理进行了初步探讨。

1 试验

1.1 原材料

试验用多壁碳纳米管购自中国科学院成都有机化学有限公司，直径为20～30 nm，长度为10～30 m，纯度大于95%，其原始形貌如图1所示。基体采用德昌电机(深圳)有限公司的SFG-75人造石墨粉。粘结剂采用日本住友公司的环氧树脂。

图1 多壁碳纳米管的原始形貌

1.2 复合材料的制备

碳纳米长径比较大，容易团聚在一起，本文采用酸处理改性碳纳米管。将适量的碳纳米管加入到HNO3∶H2SO4=1∶3的混合酸中，用超声波清洗机在40℃下进行超声过滤4 h，然后用去离子水漂洗至中性，最后在真空烘干箱中110℃条件下烘干后备用。

采用传统的粉末冶金法制备复合材料。将石墨粉与CNTs和环氧树脂溶液混合造粒后成型固化而成。本文制备了未加碳纳米管的树脂/石墨电刷和碳纳米管含量为1wt.%的碳刷(分别标示为U98-A和U98-B)。具体的制备工艺如图2所示。

图2 碳纳米管增强树脂/石墨碳刷制备工艺流程图

1.3 性能测试与表征

按照碳刷制品物理化学性能测试方法对电刷的破碎力、肖氏硬度、电阻率进行了测定;碳刷的动态性能是表示电刷在带电滑动接触状态下的性质，它是衡量碳刷性能优劣的标准，主要包括摩擦系数、磨损量和接触电压降等。动态试验在德昌电机(深圳)有限公司自制的磨损试验机上模拟实际工作状态下进行。

2 结果与讨论

2.1 碳纳米管对电刷静态性能的影响

图3和图4分别是碳纳米管对树脂/石墨碳刷的弯曲强度和硬度的影响。从图中可以看出，碳纳米管的加入显著提高了碳刷的弯曲强度和硬度，使碳刷的力学性能得以提高。碳刷的弯曲强度由17.6 MPa增加到 21.5 MPa，提高了 21.7%;D 型(指示型)肖式硬度计测定的碳刷肖式硬度值由19.7提高到 21.7。

由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量、高强度等优异的性能。碳纳米管的硬度与金刚石相当，CNTs抗拉强度达到50～200 GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，通过在碳刷中添加碳纳米管，可以明显提高材料的硬度和强度，有利于碳刷耐磨性能提高。

图5 碳纳米管对碳刷电阻率的影响

作为电刷材料，电阻率是一项重要的性能指标。图5给出了树脂-石墨碳刷的体积电阻率数值。从图中可以看出，碳纳米管的加入降低了碳刷的电阻率，下降幅度达17%。多壁碳纳米管的电导率比树脂高很多［14］，碳纳米管加入不导电的环氧树脂中，提高了环氧树脂的导电性，从而降低了碳刷的电阻率。

2.2 碳纳米管对电刷动态性能的影响

2.2.1 摩擦系数

摩擦系数是衡量碳刷动态性能最重要的物理量之一。图6给出了两种碳电刷的摩擦系数。从图中可以看出，碳纳米管的加入大大降低了碳刷的摩擦系数。碳刷的摩擦系数由0.24降低到0.19，下降幅度达21%。碳纳米管的加入使碳刷摩擦系数减小，有利于减小对换向器的磨损。

图6 碳纳米管对碳刷摩擦系数的影响

电机在运行过程中，由于碳刷和换向器间的摩擦，会形成一层润滑膜，其主要是由石墨、金属氧化物和大气中的水组成。此润滑膜可降低换向器和碳刷间的摩擦系数，使电机运行平稳。由于碳刷和换向器在电流通过时产生收缩电阻，导致温度升高，会破坏润滑膜的均匀性和完整性，产生粘着磨损，导致摩擦系数增大。碳纳米管的结构是石墨面围成的中空圆柱体，CNTs的管状轴承效应和自润滑效应，使其具有优异的自润滑性能［15］，加入碳纳米管的碳刷在运行过程中，会在换向器和碳刷间形成一层含碳纳米管膜，保证了润滑膜的均匀性和完整性，使碳刷的摩擦系数减小。

2.2.2 磨损性能

图7和图8分别给出了碳刷电刷磨损量和形貌随电机运行时间的变化。从图中可以看出，随着电机运行时间的增加，碳刷的尺寸逐渐减小，磨损量增大;碳纳米管的加入，降低了碳刷磨损程度，从而提高了碳刷的使用寿命。加入碳纳米的碳刷使用寿命达到了814 h，比树脂-石墨碳刷的寿命增加了近20%。

由于碳纳米管优异的各项性能，其加入树脂/石墨碳刷中，降低了摩擦系数，同时硬度和强度的提高，增强其耐磨损性能，从而使碳刷的磨损量减小。

图9给出了碳刷在400 h的磨损形貌。从图9(a)中可以看出，不含碳纳米管碳刷的磨损表面存在一些不连续的坑洞。这是因为碳刷表面在电流作用下产生收缩电阻，导致碳刷局部放电形成的电蚀坑(如图10所示)，使润滑膜的完整性和均匀性遭到破坏，从而加速了碳刷磨损，降低了碳刷的使用寿命。从图9(b)中可以看出，含碳纳米管的电刷磨损表面光滑、均匀。这是因为具有自润滑性质的碳纳米管加入电刷中，加速了氧化膜的形成，同时纳米级别的碳纳米管在界面形成的润滑膜，保证了润滑膜的均匀性和完整性，隔离了电刷和换向器的直接接触，降低了电刷的磨损并提高了使用寿命。

图9 碳刷磨损形貌

图10给出了电刷电蚀坑的放大图，从图中可以看出，磨损表面存在白色区域(A)和黑色区域(B)，通过对这个区域进行能谱分析表明，白色区域主要含有铜，而黑色区域主要为石墨。

图10 碳刷磨损微观形貌

磨损是接触元件动态相互作用的结果，它取决于机械、电气、化学和电解等各种因素。具有自润滑性质的碳纳米管加入电刷中，加速了氧化膜的形成，同时纳米级别的碳纳米管在界面形成的润滑膜，保证了润滑膜的均匀性和完整性，隔离了电刷和换向器的直接接触，降低了磨损率。

3 结 论

(1)碳纳米管加入到树脂/石墨碳刷中，使材料的弯曲强度和硬度提高;碳刷的弯曲强度由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)碳纳米管加入到树脂/石墨碳刷中，降低了碳刷的电阻率，下降幅度达17%。

(3)具有自润滑性质的碳纳米管加入碳刷中，碳刷的摩擦系数由0.24降低到0.19，下降幅度达21%。磨损率大大下降，碳刷的使用寿命提高了近20%。

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