碳纤维金属复合材料电刷的研究进展

1、碳纤维增强金属基电刷材料的研究进展摘要：本文从复合材料和界面的角度综合介绍了碳纤维增强金属基电刷材料性能优点、制备工艺等，同时在电刷性能方面比较了国内外的研究进展，并对其未来的研究方向以及前景做出了展望。关键词：碳纤维；电刷；复合材料；界面；金属基1 前言不同于金属、无机非金属材料以及高分子材料，复合材料是由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有性能更优良的多相材料1。各种组分材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。纤维增强金属基复合材料由于具有高温性能好，比强度、比模量高，导电、导热性好，横向

2、力学性能、层间剪切强度高，不吸湿、不老化等优点，从而获得了广泛的研究与应用，尤其是碳纤维的出现，极大地推动了纤维增强金属基复合材料的发展。本人所在课题组从事的是滑动电接触摩擦材料电刷的相关研究。我们知道，电刷是与运动件作滑动接触而形成电连接的一种导电部件。因此，电刷作为直接影响电机能否正常运转及电机工作寿命直流电机的关键件，它的功能是在电机的固定部件与旋转部件换向器或集电环间传导电流2。电刷一般按其原材料来进行分类，在国际上通常可分为两类3：一类是金属粉末加石墨粉用树脂或沥青作粘结剂制备的金属石墨电刷俗称有色电刷，另一类是以炭素粉末（炭黑、焦炭、石墨粉）用树脂或沥青作粘结剂生产的电化石墨电刷或

3、碳-石墨电刷，统称为黑色电刷。铜金属由于具有优良的导电性能、耐腐蚀性以及导热性能，在电刷材料上取得了广泛的应用。碳纤维具有高的比强度、比模量，比重小和轴向热膨胀系数低，良好的润滑、减摩性以及耐高温、耐腐蚀性和一定的导电性，并且价格低，被广泛用作复合材料的增强体4，将两者复合制备成电刷将会进一步提高电刷的性能。基于碳纤维的热导率，学者Jun Fukai研究表明5，碳纤维刷与封装在传热管的相变材料复合后，随着碳纤维体积含量以及纤维束直径的增加，复合材料的瞬态热响应显著提高。 2 复合材料的界面作为复合材料，界面通常被认为是影响复合材料特别是力学性能的关键因素，界面层使纤维与基体形成一个整体，并通过

4、它传递应力。纤维增强金属基复合材料的界面结合可以分为以下几种6：(1) 物理结合是指借助材料表面的粗糙形态而产生的机械结合，以及借助基体收缩应力包紧纤维时产生的摩擦结合，这种结合与化学作用无关，纯属物理作用，结合强度的大小与纤维表面的粗糙程度有很大关系。例如，用经过表面刻蚀处理的纤维制成的复合材料，其结合强度比具有光滑表面的纤维复合材料要高2-3倍。但这种结合只有当载荷应力平行于界面时才能实现较强的作用，而当应力垂直于界面时承载能力很小。(2) 溶解与浸润结合。纤维与基体的相互作用力是极短的，只有若干原子间距。由于纤维表面常存在氧化物膜，阻碍液态金属的浸润，这时就需要对纤维表面进行处理，如利用

5、超声波法通过机械摩擦力破坏氧化物膜，使纤维与基体的接触角小于90°，发生浸润或局部互溶以提高界面结合力。(3) 反应结合，其特征是在纤维与基体之间形成新的化合物层，即界面反应层，界面结合层往往不是单一的化合物，如硼纤维增强钛合金，在界面反应层内有多种反应产物。一般情况下，随反应程度增加，界面结合强度也增大。但由于界面反应产物多为脆性物质，所以当界面层达到一定厚度时，界面上的残余应力可使界面破坏，反而降低界面结合强度。碳纤维增强铜金属电刷属于纤维与基体既不反应也不溶解的类型，这类界面是平整的，厚度仅为分子层的程度，除原组成成分外，界面上基本不含其它物质。碳纤维增强铜基复合材料的制备过程

6、中，铜对碳纤维的润湿性很差，铜和碳纤维在固态和液态互相溶解度都很小，且不发生化学反应，不形成碳化物6。碳纤维在铜中扩散系数几乎为零，碳纤维与铜的界面是以机械结合为主的物理结合，界面既无扩散，也无化学反应。这种界面结合较弱，其横向剪切强度仅为30MPa，限制了材料强度的提高，较好的解决方法是对碳纤维进行表面镀铜处理。常用的是化学镀和电镀，在碳纤维上镀一层均匀致密的铜层。有文献报道可使用双镀层的方法，先镀一层铜，再镀一层镍或钛，通过铜层扩散至碳纤维表面发生反应，从而提高了复合材料的强度。同时，析出的铜原子极易在碳纤维表面聚集，而且首先在碳纤维的沟槽内沉积，因此碳纤维表面粗糙度在很大程度上影响了碳纤

7、维增强铜基复合材料的紧密结合。解决方法是对碳纤维进行表面氧化处理7，如硝酸氧化法、空气氧化法，以官能团的形式固定了大量的氧，并使碳纤维表面显著起坑，增加了表面的粗糙度。3 电刷的性能指标电刷是一种典型的滑动电接触滑动材料，它的基本特征可分为静态性能和动态性能2。(1)电刷的静态特征。真密度，碳素材料的真密度随着石墨化度的提高而增大，通常采用将试样磨成细粉，并以n-丁醇为浸入液的比重瓶法来测定；气孔率是电刷材料所含的全部孔洞的容积百分比，通过体积密度与真密度的差值除以真密度求得；电刷的电阻。一般采用电压降法测定电刷材质固有的电阻值需注意电刷毛坯的压型方向，电刷压型方向的电阻和硬度都比侧压力方向要

8、高。在牵引电机用电刷的振动或冲击较大的使用条件下，抗弯强度是一项重要性能。测试时，将试样放在支点上，使毛坯的压力面向上，一垂直载荷匀速加载在式样中间，读出式样破坏时最大载荷；硬度，作为衡量材质均匀性的标准，采用各种硬度计测试容易获得，一般来说，洛氏硬度对金属石墨电刷更为适宜。(2)电刷的动态特性。摩擦系数是衡量电刷性能最重要的物理量之一，测定时受气体介质、湿度和温度等周围环境影响很大。摩擦系数随着换向器表面温度升高，先下降到一定程度，然后增大。因此，电刷接触处的换向器温度不应低于60，因为温度过低不易在表面形成铜氧化物；接触电压降，取决于换向器或集电环间润滑膜的电阻、电刷的接触状态和电刷材质固

9、有的电阻，通常以正、负刷接触电压降的平均值来表示。电流从电刷流向换向器或集电环时称为正刷，反之为负刷；换向性能，是研究电刷运行时产生火花的情况，一般认为不易产生火花的电刷换向性能好；磨损量，电刷的磨损与是否通电、温度、湿度、电刷压力和圆周速度等条件有很大关系，可根据电刷中心部位的高度或电刷质量的减少求得磨损量；载流能力和电刷寿命。当超过规定的电流密度后会严重影响电刷的寿命，高电流产生更多的焦耳热，易产生火花导致界面接触摩擦急剧增大，电刷发生粉尘性磨损。4 碳纤维增强金属基电刷材料的制备方法传统的石墨-铜电刷主要依靠铜导电，依靠石墨来减摩并提高耐磨性，同时依靠铜-石墨、铜-铜之间的结合来维持材料

10、整体强度。铜含量的增加在改善了导电性，却导致了耐磨性下降；而石墨含量增加，在改善耐磨性的同时削弱了材料强度和导电性8。而在制造碳纤维增强铜基复合材料方面，粉末冶金方法用得较多。由于碳纤维与铜既不反应也不互溶，因此为了改善碳纤维与铜基体的结合，要首先对碳纤维表面进行了电镀铜处理。其次，由于铜容易氧化，在制备电刷前必须对铜粉、镀铜碳纤维和镀铜石墨粉进行还原处理。将铜粉、镀铜短碳纤维和镀铜石墨放置于氢气氛保护炉中，加热至320，保温半小时后，随炉冷至室温6。粉末冶金法是在排列的长纤维上先撒上一层金属粉末，将纤维与金属粉末相互交替重叠后冷压，然后烧结；或将长纤维剪短与金属粉末混合后，再冷压烧结制得复合

11、材料，在金属粉末中可加入一些合金元素改善复合材料性能。这种方法优点是制造温度低，适用多种基体与纤维(特别是短纤维)的结合，缺点是纤维损伤大，分布不均，含量不高。5 碳纤维增强金属基电刷材料研究进展由粉末冶金方法制备的碳纤维增强金属基电刷材料按照规定的一系列电刷材料的性能指标来衡量。人们给予了该复合材料很大的期望，众多学者也相继研究这一领域取得了令人满意的效果。合肥工大的李政研究得出6，与铜-镀铜石墨复合材料相比，镀铜碳纤维/石墨-铜复合材料的硬度、抗弯强度以及耐磨性明显提高，密度和电阻率变化不大，并随着碳纤维含量增加硬度升高；电刷中碳纤维含量达到最佳值(0.6%)时，其电摩擦磨损性能最好。颜士

12、钦的研究结果表明9，应用镀银碳纤维部分代替原银-石黑系电刷中的石墨用于雷达电刷传输电讯号时，能有效降低电刷与汇流环之间的动态接触电阻，提高其硬度以及电刷使用寿命。黄守国对碳纤维含量对铜-石墨电刷磨损量的影响研究表明10，在发生电磨损时，在电刷和换向器间能形成一层润滑膜，可降低粘着磨损；随碳纤维含量的增加，电刷的电磨损量降低；当碳纤维含量大于0.5%时，电刷电磨损量增大。WILLIAM R. GASS11在大气中将镀银碳纤维电刷在4.65MA/m2电流下实验，研究发现，电刷的总磨损量随着湿度的变化并没有实质上的变化，但是改变了机械磨损和电气磨损的分布。Yuying Wu研究表明12：镀铜碳纤维石

13、墨电刷相比于传统的电化石墨电刷，载流密度提高了近4倍，无火花区域宽度也扩大了2-9倍，机械磨损降低了15-25%，这显示了改善电机结构和性能的潜力。HU Zhong liang研究含有MoS2的高电阻碳刷在不同湿度下实验时，表明在10%至50%相对湿度下电刷的磨损率变化不大，而不含MoS2的碳刷则相差两倍。这与表面润滑膜的形成有关，在干燥环境下，硫化物会涂抹于材料表面像潮湿环境中的水膜一样降低材料的磨损率、摩擦热13。6总结与展望碳纤维增强金属基复合材料已经显示了无比的优越性能，具有高温性能好，比强度、比模量高，导电、导热性好，横向力学性能、层间剪切强度高，不吸湿、不老化等优点。将碳纤维增强金

14、属基复合材料，尤其是碳纤维-铜复合材料制备成电刷材料时，从许多方面改善了电刷的性能。众多的研究表明，碳纤维增强金属基复合电刷材料相比于一般电刷，其硬度、抗弯强度、载流密度以及耐磨性明显提高，同时服役时电刷与换向器间无火花区域增大，显示了电刷换向性能的增强，最后使得电刷使用寿命大大提高，节约了资源，降低了成本。然而，目前还有许多难题没有克服，比如碳纤维在基体中的取向问题，碳纤维与基体结合界面的难题，仍需要广大学者们继续深入研究。碳纤维增强金属基复合电刷材料已经显示了广泛的市场需求，在未来必将成为电刷产品领域中的重要组成部分。参考文献：1 张国定, 赵昌正. 金属基复合材料M. 上海: 上海交通大

15、学出版社, 1996: 3-5.2 铃木弘茂. 电机用电刷及其使用方法M. 汪云华, 陆玉峻, 译. 北京: 机械工业出版社, 1982: 1-2.3 李砚萍. 黑色航空电刷的几点探索J. 炭素, 2004, 2: 40-42.4 McNab I R, Wilkin G A. Carbon-fiber brush for superconducting machinesJ. Electronics and Power, 1972,18: 8.5 Jun Fukai, Yuichi Hamada. Effect of carbon-fiber brushes on conductive heat

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17、9：1191339 颜士钦, 凤 仪. 碳纤维-石墨-银基复合材料电刷的应用研究J. 合肥工业大学学报, 1996, 19(3): 19-23.10 黄守国, 宗 争. 碳纤维含量对铜-石墨电刷电磨损性能的影响J. 矿冶工程, 2007, 27(2): 68-70.11 WILLIAM R. GASS. High-Current Density Carbon Fiber Brush Experiments in Humidified Air and HeliumJ. IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, 1980, 3(1): 26-30.12 Yuying Wu, Guoding Zhang. The Research of Fiber/Graphite Composite BrushC. Electrical Co