CN101840746B - 含纳米颗粒层的电界面 - Google Patents

Abstract

一种电界面包含纳米颗粒层。电界面还包含第一导体和第二导体。纳米颗粒层与第一和第二导体电耦合在一起。

Description

含纳米颗粒层的电界面

技术领域

本发明涉及电界面，更具体地说，本发明涉及具有第一导体和第二导体的电界面。

背景技术

众所周知，在电界面例如螺栓接合(bolted joint)和滑动接触的表面，通过沉积镍、银或锡的电镀层可在其上形成涂层。该涂层的主要功能是用来减少电界面的氧化，从而使电连接处或电接触在其工作使用期限内保持稳定的接触电阻。人们还不清楚这些涂层是否能减少接触电阻或提高电界面间的热传输性质。

因此，人们需要一种涂层或层能够减少电界面处的接触电阻和连接处产生的热量，从而降低在给定额定电流下的最高工作温度。此外，人们还希望这种涂层或层能用于增加界面处的热传导系数以增强连接处的散热能力，这同样可以使连接处的峰值温度降低。

发明内容

这些需求和其它的要求可在本发明的实施例中得到满足，本发明的实施例提供了一种包含第一导体，纳米颗粒层和第二导体的电界面，其中第一导体具有表面；纳米颗粒层具有第一表面和相对第二表面，纳米颗粒层的第一表面电耦合至第一导体的表面上；第二导体具有电耦合至纳米颗粒层的相对第二表面上的表面。例如，这能增加电接触界面的热学和电学传输性质，从而增加了电子产品包括电界面的安全性和可靠性。

第一和第二导体可以是电源导体。

纳米颗粒层可包括选自含碳纳米颗粒、金属纳米线及它们的混合物的纳米颗粒材料。含碳纳米颗粒可选自碳纳米管、碳纳米纤维及它们的混合物。在包含碳纳米管的实施例中，碳纳米管可在第一导体表面和第二导体表面中的至少一个表面上形成。在进一步的实施例中，碳纳米管可通过化学气相沉积法形成。在更进一步的实施例中，纳米颗粒层可包括金属箔，其中，碳纳米管形成在金属箔的第一表面和相对第二表面中的至少一个上。在另外实施例中，碳纳米管可形成薄片。在另一个实施例中，碳纳米管可选自多壁碳纳米管、单壁碳纳米管以及它们的混合物。

在包含碳纳米纤维的实施例中，碳纳米纤维可形成薄片。

在包含金属纳米线的实施例中，金属纳米线可包括选自锌、镍、银、锡以及它们的混合物的金属。在进一步的实施例中，金属纳米线可在第一导体表面和第二导体表面中的至少一个表面上形成。在更进一步的实施例中，金属纳米线可通过化学气相沉积法或电镀法形成。在另外的实施例中，纳米颗粒层可包括金属箔，其中，金属纳米线形成在金属箔的第一表面和相对第二表面中的至少一个上。

在另外的实施例中，电界面可形成电源导体的螺栓接合。

在进一步的实施例中，第一和第二导体可由选自铝、铜以及它们的混合物的材料制成。

在另外的实施例中，第一导体、纳米颗粒层和第二导体可通过至少一个紧固件机械耦合在一起。

附图说明

通过结合附图阅读优选实施例的下列描述可完全理解本发明：

图1A是电界面的侧面视图；

图1B是依照本发明的实施例的电界面的侧面视图；

图2是依照本发明的另一实施例的电界面的分解示意图；

图2A是图2的电界面的分解侧面视图；

图3是依照本发明的另一实施例的电界面的分解示意图；

图3A是图3的电界面的分解侧面视图；以及

图4和图5是依照本发明的其它实施例的电界面的分解示意图。

具体实施方式

在此，名词“电源导体”是指电源母线、电源线，电源相导体，电力电缆和/或电源、电路断流器或其它开关设备装置的电源母线结构。

在此，名词“紧固件”是指任意适合的连接或收紧机构，特别包括但不限于，螺丝(例如，不限定于，固定螺丝)、螺栓以及螺栓和螺母的组合(例如，不限定于，锁紧螺母)、螺栓、垫片和螺母的组合。

在此，两个或多个零件“耦合”或“连接”在一起是指零件们直接连接或通过一个或多个中间零件连接在一起。

除非其中特别列举，在此所用的方向词，诸如，例如，左，右，顶部，底部，较高的，较低的，正面，背面，前部的，上面的，下面的，顺时针的，逆时针的以及其它衍生的方向词均与如图所示元件的方向有关，并且不限于权利要求。

在此，名词“数量”是指一或比一大的整数(例如，多个)。

本发明涉及包含纳米颗粒层的电界面。纳米颗粒层的存在可引起例如但不限于螺栓接合和滑动接触的电接触界面的热学和电学传输性质的改善的至少一种。

图1A和图1B是电界面1、1′的侧面视图，电界面1、1′分别包括第一导体2、2′和第二导体3、3′。这样的第一和第二导体典型地例如由铜、铝或它们的混合物制成。图1A展示了现有技术，其中第一和第二导体2、3互相直接接触形成接触区域4。图1B展示了本发明的实施例，其中第二导体3′包含纳米颗粒层5，因此，第一导体2′直接接触纳米颗粒层5，从而形成接触区域4′和4″。

图2是电界面10的分解示意图，电界面10包括第一导体15和第二导体20。第一和第二导体15、20可由多种导电材料，例如但不限于，铜、 铝以及它们的混合物制成。第一导体15包含上表面25和下表面30。第二导体20包含上表面35和下表面40。相对的第一导体15的下表面30和第二导体20的上表面35电连接在一起。

参考图2A，电界面10包含纳米颗粒层27，纳米颗粒层27具有第一表面28和相对第二表面29。纳米颗粒层27与第一导体15的下表面30相连。纳米颗粒层27的第一表面28电耦合到第一导体15的下表面30，且第二导体20的上表面35电耦合到纳米颗粒层27的相对第二表面29。尽管图2A只展示了示例结构，但人们应该了解，可选的，纳米颗粒层27也可被连接在第二导体20的上表面35上，或者，纳米颗粒层可同时连接于第一导体15的下表面30和第二导体20的上表面35上。

纳米颗粒层27由选自含碳纳米颗粒、金属纳米线及它们的混合物的纳米颗粒材料制成。含碳纳米颗粒包括碳纳米管。碳纳米管和/或金属纳米线可呈现优秀的热学和电学传导性能。

适合本发明使用的碳纳米管包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管以及它们的混合物。碳纳米管可通过现有技术中的各种常规方法制得。例如，碳纳米管可通过化学气相沉积(CVD)方法处理来生长碳纳米管而制得。碳纳米管可直接在表面界面上生长(例如，图2A所示的导体表面30和/或35)，从而形成纳米颗粒层(例如，图2A所示的纳米颗粒层27)。表面界面可由多种材料，包括但不限于，铜、铝以及它们的混合物制成。表面界面通常被清洁以去除任何表面油脂，而后将适合的催化剂施加在洁净的表面上。适合的催化剂包括但不限于，例如，铝、镍、铁以及它们的混合物。催化剂可通过现有技术中的各种常规方法施加。适合的技术包括但不限于，例如，溅射淀积。在施加催化剂之后，通过使用含碳气体(例如但不限于，甲烷、乙烷以及它们的混合物)来进行CVD处理。

作为非限制性示例，纳米颗粒层上碳纳米管的浓度达到大约每平方厘米十亿个。

作为另一个例子，纳米颗粒材料包括金属纳米线。金属钠米线可通过现有技术中的各种常规方法制得，包括，但不限于，例如通过电镀或CVD 处理生长金属和金属氧化物纳米线。适合的金属包括但不限于例如锌、镍、银、锡以及它们的混合物。金属纳米线可直接生长于表面界面(例如，图2A所示的导体表面30和/或35)以形成纳米颗粒层(例如，图2A所示的纳米颗粒层27)。上文所述的适合使用的表面界面和制备基底的步骤(例如，清洁和在其上施加催化剂)同样可应用于这里。金属纳米线可在特定电解质溶液中通过电镀法生长而得。

图3是包含第一导体55、第二导体60和基底65的电界面50的分解示意图。基底65位于第一和第二导体55、60之间。第一和第二导体55、60可由上文所述的图2中第一和第二导体15、20的材料构成。第一导体55具有上表面70和下表面75。第二导体60具有上表面80和下表面85。基底65具有第一表面90和相对第二表面95。

图3A展示了包含纳米颗粒层92、97的电界面50。纳米颗粒层92耦合至基底65的第一表面90，且纳米颗粒层97耦合至基底65的相对第二表面95。基底65可由，例如，金属箔制成。适合的金属箔可以包括现有技术中的各种材料。例如，金属箔本身可通过电镀法生长而得到。非限制性示例可包括但不限于铜、铝、贵金属例如银、以及它们的混合物。纳米颗粒层92、97可由上述纳米颗粒材料制得。纳米颗粒材料可以直接生长在基底65的第一表面90和相对第二表面95上。生长过程可包括使用上文所述的CVD处理。基底65的第一表面90上的纳米颗粒层92电耦合至第一导体55的下表面75，且第二导体60的上表面80电耦合至基底65的相对第二表面95上的纳米颗粒层97。尽管只展示了一种示例结构，应该了解，可选的，第一表面90和相对第二表面95中的仅仅一个可只有包含纳米颗粒层(例如92或97)。

例如，第一导体55的下表面75和第二导体60的上表面80中至少一个也可包含纳米颗粒层(未示出)。

图4是包含第一导体115、第二导体120和基底122的电界面100的分解示意图。基底122位于第一导体115和第二导体120之间。第一和第二导体115、120可使用上文所述的图2中的第一和第二导体15，20的相 同材料制得。第一导体115具有上表面125和下表面130。第二导体120具有上表面135和下表面140。基底122具有第一表面123和相对第二表面124。基底122是由至少一层包含含碳纳米颗粒、金属纳米线或者它们的混合物的薄片制成的纳米颗粒层。含碳纳米颗粒包括碳纳米管、碳纳米纤维以及它们的混合物。适合使用的薄片可包括已知的纳米颗粒层诸如，但不限于，巴克纸(buckypaper)。巴克纸可通过分散和过滤含碳纳米管和/或碳纳米纤维的悬浮液而制得。巴克纸可呈现良好的热学和电学传导性。基底122的第一表面123电耦合至第一导体115的下表面130，且第二导体120的上表面135电耦合至基底122的相对第二表面124。

作为非限制性示例，纳米颗粒材料薄片，例如但不限于，碳纳米管和/或碳纳米纤维，可通过使用弹性体作为聚合物基体而制得。可采用硅烷醇固化缩聚反应技术。碳纳米管和/或碳纳米纤维优选均匀地混合到弹性体中。混合到弹性体之前碳纳米管和/或碳纳米纤维可以先进行提纯和/或研磨。纳米颗粒材料，例如但不限于，碳纳米管和/或碳纳米纤维，在混合物中的含量可以不同。例如，纳米颗粒材料可以是混合物重量的大于0％而小于100％。在优选实施例中，纳米颗粒材料可以是混合物重量的2％到80％或5％到50％。许多常规装置都可用来混合这些组分。适合的混合装置包括但不限于挤压机和速度混合机。适合的弹性体可包括现有技术下已知的许多材料，例如但不限于，硅氧烷弹性体，氟弹性体以及它们的混合物。非限制性示例包括氟硅氧烷、聚二甲基硅氧烷以及它们的混合物。在一个实施例中，弹性体具有800克/摩尔到100,000克/摩尔的分子重量。弹性体实质上可为液态或固态形式。混合物也包括交联剂和可选的催化剂。交联剂和催化剂可选自现有技术下已知的材料。适合的交联剂的非限制性示例包括但不限于聚二乙氧基硅氧烷。适合的催化剂的非限制性示例包括但不限于铂、双胺、双酚、过氧化物、二烷基锡羰化物以及它们的混合物。交联剂和催化剂的用量可以变化。例如，交联剂可以占混合物重量的1％到15％。当使用催化剂时，例如，催化剂可以占混合物重量的1％到15％。

通过使用例如模具的装置，将混合物在负载下挤压成所希望的形状。 混合物可被铸模成基本任何形状，例如但不限于，方形、圆形、长方形和它们的组合。例如，(例如图4所示的电界面100)在成形的混合物上打孔以用于螺栓连接。然后成形的混合物可以被固化以形成最终的充分柔韧的纳米颗粒材料(例如碳纳米管和/或纳米纤维)薄片。固化可在现有已知的固化弹性体材料的多种常规温度和压力条件下进行。在一个实施例中，固化在室温实施，例如但不限于，18℃-23℃，和/或在大气条件下。在另一个实施例中，固化在高温下施行。这个方法比已知方法具有优势，因为可以更加容易地制备薄片以及能在批量生产时规模化生产过程。生成的薄片具有充分的柔韧性且其含有占薄片重量的50％的纳米颗粒材料(例如碳纳米管和/或碳纳米纤维)。

例如，至少一个薄片也可包含金属纳米线。

图5是包含第一导体155、第二导体160和基底165的电界面150的分解示意图。基底165位于第一导体155和第二导体160之间。第一和第二导体155、160可使用上文所述的图2中的第一和第二导体15、20的相同材料制得。基底165可由上文所述基底65、122的相同材料制成。第一和第二导体155、160电耦合在一起。进一步地，第一和第二导体155、160被紧固件机械耦合在一起。适合的紧固件可包括多种现有技术中已知的包含但不限于这里先前所描述的那些。如图5所示，第一导体155上形成有开孔200和201；基底165上形成有开孔202和203，第二导体160上形成有开孔204和205。开孔200、201、202、203、204、205可通过使用任意常规技术例如钻孔制得。开孔200、202和204垂直对准，且开孔201，203和205垂直对准。螺丝或螺栓220、221与垫片240、241分别耦合到一起，并且分别***开孔200、201中的每个，接着分别穿过开孔202、203，再分别穿过204、205。垫片240、241和242、243和螺母244、245分别耦合到第二导体160的下表面161上的螺丝或螺栓220、221。

例如但不限于，电界面150形成电源导体的螺栓接合。

本文详细描述了本发明的特定实施例，那些本领域技术人员会意识到，他们能够根据本发明的全部教导开发出那些细节的不同的修改和替代物。 因此，公开的特定方案仅仅是说明性的，并且不限制本发明的范围，本发明的范围以附加权利要求的所有范围以及任意其它等效的范围为准。

附图标记

1                                 电界面

1′                               电界面

2                                 第一导体

2′                               第一导体

3                                 第二导体

3′                               第二导体

4                                 接触区域

4′                               接触区域

4″                               接触区域

5                                 纳米颗粒层

10                                电界面

15                                第一导体

20                                第二导体

25                                上表面

27                                纳米颗粒层

28                                第一表面

29                                相对第二表面

30                                下表面

35                                上表面

40                                下表面

50                                电界面

55                                第一导体

60                                第二导体

65                                基底

70                                上表面

75                                下表面

80                                上表面

85                                下表面

90                                第一表面

92                                纳米颗粒层

95                                相对第二表面

97                                纳米颗粒层

100                               电界面

115                               第一导体

120                               第二导体

122                               基底

123                               第一表面

124                               相对第二表面

125                               上表面

130                               下表面

135                               上表面

140                               下表面

150                               电界面

155                               第一导体

160                               第二导体

161                               下表面

165                               基底

200、201、202、203、204、205      开孔

220、221                          螺丝或螺栓

240、241、242、243                垫片

244、245                          螺母。

Claims (6)

1.一种电源导体界面，包括：

具有第一表面的第一电源导体；

具有第二表面的第二电源导体；和

至少一个具有上表面和下表面的固化的、柔韧的薄片，所述薄片位于所述第一电源导体的第一表面和所述第二电源导体的第二表面之间，所述薄片由混合物形成，该混合物包含：

研磨的纳米颗粒材料，该纳米颗粒材料选自由含碳纳米管、金属纳米线、碳纳米纤维及它们的混合物组成的组；

弹性体聚合物基体；和

交联剂，

其中纳米颗粒材料在与弹性体聚合物基体结合之前被研磨，以形成研磨的纳米颗粒材料，

其中所述第一电源导体的第一表面电耦合至所述薄片的下表面，且所述第二电源导体的第二表面电耦合至所述薄片的上表面；以及

其中所述第一和第二电源导体用于电源、电路断流器或开关设备装置。

2.如权利要求1所述的电源导体界面，其中所述第一表面和所述第二表面至少之一进一步包含在其上形成的纳米颗粒层。

3.如权利要求2所述的电源导体界面，其中所述纳米颗粒材料包含通过化学气相沉积法形成的碳纳米管。

4.如权利要求1所述的电源导体界面，其中所述金属纳米线包括选自锌、镍、银、锡以及它们的混合物的金属。

5.如权利要求2所述的电源导体界面，其中所述纳米颗粒材料包含通过化学气相沉积法或电镀法形成的金属纳米线。

6.如权利要求1所述的电源导体界面，其中所述碳纳米管选自多壁碳纳米管、单壁碳纳米管以及它们的混合物。