CN105728713A - 一种石墨烯增强的复合铜基触点材料及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯增强的复合铜基触点材料及其制备工艺，其材料组成为（质量百分比）：氧化物粉：0.01-10，碳化物粉：0.01-2，余量为被厚度不超过10纳米石墨烯包覆的铜粉或者铜合金粉。该铜基触点材料具有接触电阻低而稳定、抗电弧烧损能力好、抗熔焊性能优良的特点，可以替代现有的银基触点材料应用在低压断路器、接触器和继电器。

Description

一种石墨烯增强的复合铜基触点材料及其制备工艺

技术领域

本发明属于电接触材料领域，尤其是涉及低压电器用触点材料，特别是指一种石墨烯增强的复合铜基触点材料。

背景技术

触头材料是各种开关、继电器、接触器等电器的关键材料，起着接通、分断和传输电流的作用。目前国内外大量使用的触头材料为银基材料，其成本高。虽然有部分铜基触头材料，但其抗氧化性能差和电寿命短。主要原因是铜裸露在接触表面，从而导致低温抗氧化性较差，电弧作用下，燃弧较为严重。

通过检索，以下专利涉及到铜基触点材料

1、CN1224768A铜基无银无镉低压电工触头合金材料，主要是采用增强材料（金刚石等）和添加物（Zn、Sn等）来改善铜基触点材料电性能。

2、CN1767105A低压电器用清洁环保型铜基触头材料及其触点制备方法主要是采用增加材料（稀土氧化物）和添加物（稀土金属元素）来改善铜基触点材料电性能。

3、CN101335102A电接触元件用的铜基材料主要采用铜基体添加第五、六副族元素和稀土元素方法改善电性能。

4、CN102324335A一种复合电触头材料的制备方法公开了一种铜基触点材料，主要特点是碳纳米管包覆铜。

5、CN102218540A石墨烯与金属纳米复合无粉末及其制造方法。

以上发明中，前3项比对专利均采用增强材料和添加物方法对铜基触点材料进行改进，但是对铜基体未有改善，从而使该类材料在使用过程中，铜很容易裸露在空气和电弧中而氧化，影响接触电阻。比对专利4提出了碳纳米管包覆铜的触点材料，但是该材料存在制备工艺复杂、采用铜片为原料带来的铜颗粒粗大（碳纳米管无法到达完全保护的作用）、材料内部含有部分银无法实现完全无银化等问题，很难在工业上得到应用。比对专利5提出了石墨烯与金属粉体复合的材料，但是石墨烯是采用的微片型，并未实现石墨烯包覆在金属颗粒表面，从而无法达到金属颗粒100%的保护。

同样与常规混粉方法添加石墨和碳纳米管制备的带石墨烯和碳纳米管的铜基触点材料相比，该类方法制备的材料无法保证每一颗增强材料和基体材料之间有石墨烯或者碳纳米管分布，这样就存在质量性能的不稳定性。

发明内容

本发明的第一目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种能解决铜基触点材料抗氧化性差、燃弧较大问题并使得增强材料与基体材料之间分布均衡的一种石墨烯增强的复合铜基触点材料。

本发明的第二个目的是提供一种上述石墨烯增强的复合铜基触点材料的制备工艺。

为实现本发明的第一个目的，本发明的技术方案是氧化物粉：0.01-10%、碳化物粉：0.01-2%、余量为石墨烯包覆铜粉或者石墨烯包覆铜合金粉，所述的石墨烯厚度不超过10纳米。

进一步设置是氧化物为SnO₂、CuO、ZnO、Fe₂O₃、REO的一种或者几种组合。

进一步设置是碳化物为WC、VC、B₄C等一种或几种。

进一步设置是铜合金的铜含量在95%以上，该铜合金为CuAl、CuZn、CuNi、CuB、CuTe、CuRE的一种；或者该铜合金为Cu与至少其他两种元素组合。

进一步设置是所述石墨烯包覆铜粉中石墨烯相对于铜粉颗粒表面的面积覆盖率为50%-100%，所述的石墨烯包覆铜合金粉中石墨烯相对于铜合金粉颗粒表面的面积覆盖率为50%-100%。

为实现本发明的第二个发明目的，本发明的技术方案是包括以下工序：

（1）石墨烯包覆铜粉或者石墨烯包覆铜合金粉的制备，利用化学气相沉积工艺或者液相氧化石墨还原工艺或者其他石墨烯生长技术，在铜粉或者铜合金粉颗粒表面包覆石墨烯，形成石墨烯包覆铜粉或者石墨烯包覆铜合金粉；

（2）将石墨烯包覆铜粉或者石墨烯包覆铜合金粉、所述的氧化物粉、所述的碳化物粉经混粉、压锭、烧结、挤压，制备成铜基触点材料；或者经混粉、模压、烧结、复压工艺制备成铜基触点材料。

本发明的铜基触点材料利用了石墨烯包覆铜或者铜合金表面，使每一颗铜或者铜合金粉不裸露在外侧，阻碍了铜的氧化，解决了常规铜基触点材料无法解决了低温抗氧化性能。由于石墨烯高比表面积，增大了在电弧作用下的熔池粘度，减少了电弧喷溅，提高抗电烧损能力；同时熔池内增强材料（碳化物和氧化物）在石墨烯的阻碍下，很难发生沉淀或者漂浮而形成的聚集，从而保证了触点材料烧蚀层的成分均匀性，进一步保证了触点服役过程中接触电阻的稳定性。

由于石墨烯具有的碳元素特有的抗熔焊能力，提高了铜基材料的抗熔焊性能。石墨烯的高导电性能，也保证铜基触点材料的体电阻率较低。

本发明触点材料相对与常规铜基触点有更加优良的抗氧化能力和抗烧损能力，可以应用在低压断路器、接触器和继电器中。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

CuTe/GRNWCSnO₂各个材料质量百分比为：WC：1,SnO₂：1其余为不超过10纳米厚的石墨烯包覆的CuTe，其中CuTe合金中Cu含量为99.5%，余量为Te。制备过程为：雾化CuTe合金粉，制备氧化石墨水分散液，氧化石墨水分散液在含有铜合金粉的水合肼水溶液内还原制备成CuTe/CRN粉体，该粉体与WC、SnO₂粉经机械混粉，制备层CuTe/GRNWCSnO₂混合粉，再经过等静压压锭、烧结、挤压致密，制备成铜基触点。该成分制备的铜基触点密度为8.78g/cm³、电阻率为2.18μΩ.cm，硬度为HV108。

实施例2

Cu/GRNB₄CSnO₂各个材料质量百分比为：BC：0.5，SnO₂：0.3，其余为不超过10纳米厚的石墨烯包覆的Cu。制备过程为：Cu粉制备、Cu粉在管式化学沉积炉内包覆石墨烯（气氛为甲烷），Cu/GRN粉体进行破碎后与B₄C粉、SnO₂粉机械混粉，然后经等静压压锭、烧结、挤压制备成密实的铜基触点材料。该成分制备的铜基触点密度为8.72g/cm³、电阻率为2.06μΩ.cm，硬度为HV93.5，

本发明不限于以上实施例。

Claims (4)

1.一种石墨烯增强的复合铜基触点材料，其特征在于包括以下组分，以质量百分比计：

氧化物粉：0.01-10%、碳化物粉：0.01-2%、余量为石墨烯包覆铜粉或者石墨烯包覆铜合金粉，氧化物为SnO₂、CuO、ZnO、Fe₂O₃、REO的一种或者几种组合,所述碳化物为碳化钨、碳化钒、碳化硼中一种或几种，所述的石墨烯包覆的厚度不超过10纳米。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强的复合铜基触点材料，其特征为：铜合金中铜含量在95%以上，铜合金为CuAl、CuZn、CuNi、CuB、CuTe、CuRE的一种；或者该铜合金为Cu与至少其他两种元素组合。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯包覆铜合金触点材料，其特征为：所述石墨烯包覆铜粉中石墨烯相对于铜粉颗粒表面的面积覆盖率为50%-100%，所述的石墨烯包覆铜合金粉中石墨烯相对于铜合金粉颗粒表面的面积覆盖率为50%-100%。

4.一种如权利要求1所述的石墨烯增强的复合铜基触点材料的制备工艺，其特征在于包括以下工序：

（1）石墨烯包覆铜粉或者石墨烯包覆铜合金粉的制备，利用化学气相沉积工艺或者液相氧化石墨还原工艺，在铜粉或者铜合金粉颗粒表面包覆石墨烯，形成石墨烯包覆铜粉或者石墨烯包覆铜合金粉；

（2）将石墨烯包覆铜粉或者石墨烯包覆铜合金粉、所述的氧化物粉、所述的碳化物粉经混粉、压锭、烧结、挤压，制备成铜基触点材料；或者经混粉、模压、烧结、复压工艺制备成铜基触点材料。