CN107146650B - 一种Ag-MXene触头材料及制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Ag‑MXene触头材料及其制备方法与用途。其中增强相MXene包括Ti3C2,Ti2C，Ta4C3，Ti3CN，Nb2C，V2C，Nb4C3，(Ti0.5,Nb0.5)2C，(V0.5,Cr0.5)3C2。制备方法包括以下步骤：①按质量百分比的比例称取Ag粉和MXene粉；②将上述称取的Ag‑MXene粉末充分混合，得到均匀混合物；③将混合后的粉料置于模具中压制成坯体；④将坯体置于烧结炉中，在惰性气氛或真空保护下，以一定升温速率加热到处理温度并保温，得到触头材料。本发明所涉及的原料易得，所用设备和制备工艺简单，生产过程环保，产品适合大规模应用于接触器、继电器、断路器等低压电器开关材料。

Description

一种Ag-MXene触头材料及制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种复合材料,具体涉及一种Ag-MXene触头材料及制备方法和用途，属于触头材料技术领域。
背景技术
触头是低压开关的核心部件，负责接通、承载和分断电流，其性能直接关系到电器设备的可靠性。理想触头材料应具有良好的导电、导热、抗熔焊、抗材料转移、抗电弧侵蚀性能以及低而稳定的接触电阻。Ag基触头材料在低压开关中应用最为广泛，常见有Ag/CdO、Ag/SnO2、Ag/ZnO、Ag/Ni、Ag/C、Ag/W、Ag/WC等，在结构、性能以及应用等方面各具特色。其中，万能触头“Ag/CdO”性能最为优异，应用最为广泛，但是Cd的毒性迫使其逐渐退出触头市场。而Ag/SnO2、Ag/ZnO、Ag/Ni、Ag/C、Ag/W、Ag/WC等替代材料也存在各种各样的问题，例如加工性差、接触电阻大、温升明显、抗电弧侵蚀能力和抗熔焊性能差等。随着科技的进步，航天航空、高速列车、电动汽车、智能电网、智能电器等行业的快速发展，对低压开关用Ag基触头材料的性能提出了更高的要求，开发新型触头材料迫在眉睫。
2011年，一种新型过渡金属碳化物Ti3C2进入人们的视野，被命名为“MXene”(M.W.Barsoum等,Adv.Mater.,2011,23(37):4248-4253)。到目前为止，除了Ti3C2，已经被制备并确认的MXene的还有Ti2C，Ta4C3，Ti3CN，(Ti0.5,Nb0.5)2C，(V0.5,Cr0.5)3C2(M.Naguib等,ACS Nano,2012,6(2):1322-1331)，Nb2C，V2C(M.Naguib等，J.Am.Chem.Soc.,2013,135(43):15966-15969)，Nb4C3(M.W.Barsoum,Chem.Commun.,2014,50(67):9517-9520)等。MXene是一种类似于石墨烯的纳米层状材料，这种特殊的纳米层状结构赋予了它新的特性和应用潜力。优良的导电性与延展性使得MXene可以媲美多层石墨烯，非常有希望应用于锂离子电池(J.C.Lei,Front.Phys.,2015,10(3):276-286)和超级电容器(M.Q.Zhao,Adv.Mater.,2015,27(2):339-345)中。表面功能化的MXene具有半导体特性，在高温下可用作能量转换材料(M.Khazaei,Phys.Chem.Chem.Phys.,2014,16(17):7841-7849)。此外，多层结构和大的比表面积使得MXene具有潜在的吸附性能，很有希望在重金属吸附和储氢领域发挥作用(Q.Hu,J.Phys.Chem.A,2013,117(51):14253-14260)。在MXene中，由于没有了A原子层，其化学性质较MAX更加稳定。此外，结构类似多层石墨烯的层状结构使得MXene拥有优良的摩擦和加工性能。因此，MXene特殊的结构和性质让我们看到了其作为Ag基触头材料增强相的潜力。目前，尚未见到MXene作为增强相应用于触头材料的相关报道，因而开发一种新型的Ag/MXene触头材料意义非凡，在未来很有希望替代Ag/CdO等传统触头材料大规模应用于低压开关。
发明内容
技术问题：本发明提供了一种Ag-MXene触头材料及其制备方法和用途，该复合材料环保无毒、制备工艺简单、易实现产业化，适合大规模应用于低压开关领域。该复合触头材料可以解决目前应用中的触头材料存在的问题：包括有毒、温升大、接触电阻高、抗电弧侵蚀能力差、抗熔焊性强等。
技术方案：本发明的一种Ag-MXene触头材料，在该触头材料中，Ag占所述触头材料的质量百分比为50～99％，MXene占所述触头材料的质量百分比为1～50％。
其中，所述MXene包括以下组分：Ti3C2、Ti2C、Ta4C3，、Ti3CN、Nb2C、V2C、Nb4C3、(Ti0.5,Nb0.5)2C或(V0.5,Cr0.5)3C2。
本发明的Ag-MXene触头材料的制备方法包括如下步骤：
步骤S1:按质量百分比的比例称取Ag粉和MXene粉；
步骤S2:将步骤S1中的Ag-MXene粉末充分混合，得到均匀混合粉料；
步骤S3:将步骤S2中得到的混合粉料置于模具中压制成坯体；
步骤S4:将步骤S3中得到的坯体置于烧结炉中，在惰性气氛或真空保护下，以设定的升温速率加热到处理温度并保温，即可得到该触头材料。
其中，步骤S1中，所述Ag粉的粒径为1～100μm，所述MXene纯度大于90％，粒径为1～100μm。
步骤S2中，所述粉料充分混合是指湿法混合5～25h。
步骤S3中，所述压制的压力为10～800MPa。
步骤S4中，所述惰性气氛为Ar气或氮气。所述的升温速率为1～50℃/min。所述处理温度为500～1200℃；所述保温时间为0.5～5h。
本发明的Ag-MXene触头材料适用于接触器、继电器、断路器的低压开关设备。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1)触头材料的增强相MXene主要由Ti、C、N、Nb、V等组成，无毒环保；
2)利用湿法混合工艺，有利于原料粉末的充分混合；
3)在常压下以及普通烧结炉中即可获得该触头材料，设备简单、成本低廉，适合大规模生产；
4)该技术制备出的Ag-MXene复合触头材料组织均匀，无团聚现象；
5)制备出的Ag-MXene复合触头材料密度高，硬度适中，导电性优异，抗电弧侵蚀和抗熔焊性能优良，适合大规模应用于接触器、继电器、断路器等低压开关领域。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行详细的描述：
实施例1：
按照材料所占的质量分数:Ag(50％),Ti3C2(50％)，称取Ag粉5g、Ti3C2粉5g；混合后，在10MPa下压制成坯体，在真空保护下，以1℃/min的升温速率加热至500℃，保温0.5h，冷却后得到Ag-50％Ti3C2触头材料。密度8.621g/cm3，硬度HV60，电阻率28×10-3μΩ·m。
实施例2：
按照材料所占的质量分数:Ag(65％),Ta4C3(35％)，称取Ag粉9.29g、Ti3C2粉5g；混合后，在50MPa下压制成坯体；在Ar气氛保护下，以6℃/min的升温速率加热至600℃，保温0.8h，冷却后得到Ag-35％Ta4C3触头材料。密度8.651g/cm3，硬度HV62，电阻率29×10-3μΩ·m。
实施例3：
按照材料所占的质量分数:Ag(70％),Ti3CN(30％)，称取Ag粉11.67g、Ti3C2粉5g；混合后，在100MPa下压制成坯体；在氮气氛保护下，以10℃/min的升温速率加热至700℃，保温1h，冷却后得到Ag-30％Ti3CN触头材料。密度8.633g/cm3，硬度HV66，电阻率30×10-3μΩ·m。
实施例4：
按照材料所占的质量分数:Ag(75％),Ti2C(25％)，称取Ag粉15g、Ti3C2粉5g；混合后，在200MPa下压制成坯体；在Ar气氛或真空保护下，以15℃/min的升温速率加热至800℃，保温2h，冷却后得到Ag-25％Ti2C触头材料。密度8.627g/cm3，硬度HV63，电阻率27×10-3μΩ·m。
实施例5：
按照材料所占的质量分数:Ag(80％),Nb2C(20％)，称取Ag粉20g、Ti3C2粉5g；混合后，在300MPa下压制成坯体；在氮气氛或真空保护下，以20℃/min的升温速率加热至900℃，保温3h，冷却后得到Ag-20％Nb2C触头材料。密度8.639g/cm3，硬度HV61，电阻率31×10-3μΩ·m。
实施例6：
按照材料所占的质量分数:Ag(85％),V2C(15％)，称取Ag粉28.33g、Ti3C2粉5g；混合后，在400MPa下压制成坯体；在Ar气氛保护下，以30℃/min的升温速率加热至1000℃，保温3.5h，冷却后得到Ag-15％V2C触头材料。密度8.642g/cm3，硬度HV65，电阻率28×10-3μΩ·m。
实施例7：
按照材料所占的质量分数:Ag(90％),Nb4C3(10％)，称取Ag粉45g、Ti3C2粉5g；混合后，在500MPa下压制成坯体；在氮气氛或真空保护下，以40℃/min的升温速率加热至1100℃，保温4h，冷却后得到Ag-10％Nb4C3触头材料。密度8.622g/cm3，硬度HV62，电阻率32×10-3μΩ·m。
实施例8：
按照材料所占的质量分数:Ag(95％),(Ti0.5,Nb0.5)2C(5％)，称取Ag粉95g、Ti3C2粉5g；混合后，在600MPa下压制成坯体；在Ar气氛或真空保护下，以45℃/min的升温速率加热至1150℃，保温5h，冷却后即得到Ag-5％(Ti0.5,Nb0.5)2C触头材料。密度8.653g/cm3，硬度HV67，电阻率34×10-3μΩ·m。
实施例9：
按照材料所占的质量分数:Ag(99％),(V0.5,Cr0.5)3C2(1％)，称取Ag粉495g、Ti3C2粉5g；混合后，在800MPa下压制成坯体；在真空保护下，以50℃/min的升温速率加热至1200℃，保温3h，冷却后即得到Ag-1％(V0.5,Cr0.5)3C2触头材料。密度8.663g/cm3，硬度HV68，电阻率33×10-3μΩ·m。

Claims (9)

1.一种Ag-MXene触头材料，其特征在于，在该触头材料中，Ag占所述触头材料的质量百分比为50～99％，MXene占所述触头材料的质量百分比为1～50％；
所述MXene包括以下组分：Ti3C2、Ti2C、Ta4C3、Ti3CN、Nb2C、V2C、Nb4C3、(Ti0.5,Nb0.5)2C或(V0.5,Cr0.5)3C2。
2.一种如权利要求1所述的Ag-MXene触头材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
步骤S1:按质量百分比的比例称取Ag粉和MXene粉；
步骤S2:将步骤S1中的Ag-MXene粉末充分混合，得到均匀混合粉料；
步骤S3:将步骤S2中得到的混合粉料置于模具中压制成坯体；
步骤S4:将步骤S3中得到的坯体置于烧结炉中，在惰性气氛或真空保护下，以设定的升温速率加热到处理温度并保温，即可得到该触头材料。
3.根据权利要求2所述的Ag-MXene触头材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述Ag粉的粒径为1～100μm，所述MXene纯度大于90％，粒径为1～100μm。
4.根据权利要求2所述的Ag-MXene触头材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述粉料充分混合是指湿法混合5～25h。
5.根据权利要求2所述的Ag-MXene触头材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述压制的压力为10～800MPa。
6.根据权利要求2所述的Ag-MXene触头材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述惰性气氛为Ar气或氮气。
7.根据权利要求2所述的Ag-MXene触头材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述的升温速率为1～50℃/min。
8.根据权利要求2所述的Ag-MXene触头材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述处理温度为500～1200℃；所述保温时间为0.5～5h。
9.一种如权利要求1所述的Ag-MXene触头材料的用途，其特征在于，所述触头材料适用于接触器、继电器、断路器的低压开关设备。
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