一种电触头材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种电触头材料，尤其涉及一种石墨烯增强铜基电触头复合材料，以及这种材料的制备方法。电触头材料由重量比为0.1‑1.0%镀镍石墨烯和99.0‑99.9%铜合金组成。其制备方法为：石墨烯镀镍、铜合金制粉、球磨混粉、致密化处理、真空电弧熔炼。本发明专利技术的电触头材料，在铜合金中添加镀镍石墨烯作为骨架，使材料具有高硬度、抗机械冲击性能与抗电弧烧蚀性能的同时，避免了导电性、导热性的降低。使用真空电弧熔炼，熔炼时间短，避免了石墨烯颗粒的偏聚，有效避免铜基体氧化。

【技术实现步骤摘要】
一种电触头材料及其制备方法
本专利技术涉及一种电触头材料及其制备方法，尤其涉及一种石墨烯增强铜基电触头复合材料及其制备方法。
技术介绍
真空触头材料是影响真空开关开断性能的重要因素，要求触头材料具有高导电率、高导热系数、高的机械强度及低的接触电阻。真空开关不需检修，触头需要最少耐受8-12次，多则30-50次的开合额定短路电流对触头的烧损，因此触头材料应具有良好的耐弧性、抗熔焊性。目前常用的铜铋合金具有良好的抗熔焊性、较低的载流值，一定的开断能力，但强度较低，电弧侵蚀大，降低了触头材料的寿命。现有（公开号105063413A），公开了“一种铜基电触头材料及其制备工艺”，铜基触头材料包含以下重量百分比成份：0.2-0.6％的镁、0.05-0.3％的锑、0.05-0.4％的铋、0.05-0.3％的锡、0.05-0.3％的铬、0.005-0.05％的硼、0.02-0.1％的镧以及0.2-0.5％的石墨和余量的铜。通过加入适量的硼、锡、锑粉末，提高电触头制成品的强度和耐磨性，但一定程度上降低了材料导电性。现有专利文献（公开号102385938A），公开了一种金属基石墨烯复合电接触材料及其制备方法,电接触材料包含0.02-10wt.%的石墨烯,其余为金属基体材料。由于石墨烯增强相的加入,使该复合电接触材料具有比其他增强相复合电接触材料更好的导电、导热性能和更高的硬度和耐磨性。石墨烯与金属基体的润湿性不好，电触头材料性能具有进一步提升的空间。
技术实现思路
本专利技术提供了一种电触头材料，通过在铜合金材料中加入镀镍石墨烯增强体，在不降低其导电性、导热性的同时，提高铜合金的硬度、耐磨性和耐电弧侵蚀性。此外本专利技术还提供了上述电触头材料的制备方法。本专利技术为解决上述问题提出的技术方案：一种电触头材料，其特征在于，包括重量比为0.1-1.0%镀镍石墨烯和99.0-99.9%铜合金，铜合金的重量成分为0.15-0.5%的铋、0.1-3.0%的金属X、余量为铜，X选自锌、锡、铝、镍和银中一种或几种。优选地，X选自锌和铝中的一种或两种。上述电触头材料，优选石墨烯为N层，N为1-10。上述电触头材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）采用直流磁控溅射法将金属镍沉积在石墨烯表面，制成镀镍石墨烯。直流磁控溅射沉积设备的工艺参数为：真空度达到0.1*10-3-1.0*10-3Pa时，通入高纯氩气，真空室气压0.5-1.2Pa，溅射功率100-150W，沉积时间为5-30min，优选10-30min。（2）将铜合金采用雾化法制成200-300目的铜合金粉末。（3）将镀镍石墨烯与铜合金粉末装入球磨机球磨，制成镀镍石墨烯和铜合金均匀混合的粉末。球磨机工作状态为：转速100-250r/min，球磨15-20分钟，停止5分钟，顺时针、逆时针交替运行，混粉时间为2-6小时。（4）将步骤（3）混合后的粉末放入模具中进行致密化处理，制成坯件。（5）块坯真空电弧熔炼，制成石墨烯增强铜基的电触头复合材料。优选地，熔炼炉真空度1.0*10-3-3.0*10-3Pa，工作气体为氩气，工作气压为0.02-0.1Pa，熔炼时间1-2分钟。本专利技术的有益成果是：（1）这种电触头材料，在铜合金中添加石墨烯增强体作为骨架，使材料具有高硬度、高耐磨性、抗机械冲击性能与抗电弧烧蚀性能的同时，避免了铜合金导电性、导热性的降低。此外，镀镍石墨烯改善了石墨烯与金属间的界面结合力，获得良好界面结合，解决了石墨烯与基体间界面润湿的问题，使复合材料致密度、力学性能、导电性、导热性能、抗电弧侵蚀性进一步提高，更好地满足电触头材料的需求。（2）电触头的制备方法，采用直流磁控溅射法在石墨烯表面沉积镍，形成的结构，减少石墨烯作为纳米颗粒在混粉过程中的团聚。镍可作为铜基体的合金化元素，提高铜合金的耐腐蚀能力和抗熔焊性。使用真空电弧熔炼，熔炼时间短，避免了石墨烯颗粒的偏聚，有效避免铜基体氧化。具体实施方式实施例1（1）采用直流磁控溅射法在石墨烯（层数为1-10）表面沉积金属镍制备成镀镍石墨烯粉。纯度为99.99%的镍靶安装前先用细砂纸进行打磨去除表面氧化膜，再用丙酮清洗，烘干。直流磁控溅射沉积前进行5分钟预溅射，去除靶材表面的金属氧化物及其它杂质，保证后续石墨烯表面沉积镍膜的纯度。溅射参数如下：真空度达到0.1*10-3Pa时，通入高纯氩气，真空室气压0.5Pa，溅射功率100W，沉积时间为30min。（2）将含有0.15%铋、0.1%锌、99.75%铜的合金粉采用气体雾化法制成200目铜合金粉末。（3）镀镍石墨烯与铜-0.15%铋-0.1%锌合金粉按0.1:99.9的重量比例装入球磨机中，球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速100r/min，球磨混粉过程中，顺时针球磨15分钟，停止5分钟，逆时针球磨15分钟，停止5分钟，依此交替工作，球磨时间6小时，获得镀镍石墨烯和铜合金均匀混合的粉末。（4）将混合后粉末放入模具中进行致密化处理，压力为250MPa。（5）制成的块坯放入真空电弧熔炼，真空度1.0×10-3Pa，工作气体为高纯氩气，工作气压为0.02Pa，熔炼时间2分钟，制备出石墨烯增强铜基电触头复合材料。实施例2（1）采用直流磁控溅射法在石墨烯（层数为1-5）表面沉积金属镍制备成镀镍石墨烯粉，纯度为99.99%的镍靶安装前先用细砂纸进行研磨去除表面氧化膜，再用丙酮清洗，烘干，直流磁控溅射沉积前进行5分钟预溅射，去除靶材表面的金属氧化物及其它杂质，保证后续石墨烯表面沉积镍膜的纯度。溅射参数如下：真空度达到1.0×10-3Pa时，通入高纯氩气，真空室气压1.2Pa，溅射功率150W，沉积时间为10min。（2）将含有0.5%铋、3.0%锌、96.5%铜的合金粉采用气体雾化法制成300目铜合金粉末。（3）镀镍石墨烯与铜-0.5%铋-3.0%锌合金粉按0.2:99.9的重量比装入机械球磨机中，球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速250r/min，球磨混粉过程中，顺时针球磨20分钟，停止5分钟，逆时针球磨20分钟，停止5分钟，依此交替工作，球磨时间2小时，获得镀镍石墨烯和铜合金均匀混合的粉末。（4）将混合后粉末放入模具中进行致密化处理，压力300MPa。（5）制成的块坯放入真空电弧熔炼，真空度3.0*10-3Pa，工作气体为高纯氩气，工作气压为0.1Pa，熔炼时间1分钟，制成石墨烯增强铜基电触头复合材料。实施例3（1）采用直流磁控溅射法在石墨烯（层数为1-10）表面沉积金属镍制备成镀镍石墨烯。纯度为99.99%的靶材安装前先用细砂纸进行研磨去除表面氧化膜，再用丙酮清洗，烘干。直流磁控溅射沉积前进行5分钟预溅射，去除靶材表面的金属氧化物及其它杂质，保证后续石墨烯表面沉积镍膜的纯度。溅射参数如下：真空度达到0.5*10-3Pa时，通入高纯氩气，真空室气压1.0Pa，溅射功率140W，沉积时间为15min。（2）将含有0.2%铋、3.0%铝、96.8%铜的合金粉采用气体雾化法制成200目铜合金粉末。（3）将镀镍石墨烯：铜-0.2%铋-3.0%铝合金粉按0.2:99.8的重量比装入球磨机中，球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速250r/min，球磨混粉过程中，顺时针球磨20分钟，停止5分钟，逆时针球磨20分钟，停本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电触头材料，其特征在于，包括重量比为0 .1‑1 .0%镀镍石墨烯和99 .0‑99 .9%铜合金，铜合金的重量成分为0 .15‑0 .5%的铋、0 .1‑3 .0%的金属X、余量为铜，X选自锌、锡、铝、镍和银中一种或几种；制备方法包括以下步骤：（1）采用直流磁控溅射法将金属镍沉积在石墨烯表面，制成镀镍石墨烯； （2）将铜合金采用雾化法制成200‑300目的铜合金粉末； （3）将镀镍石墨烯与铜合金粉末装入球磨机球磨，制成镀镍石墨烯和铜合金均匀混合的粉末； （4）将步骤 （3）混合后的粉末放入模具中进行致密化处理，制成坯件； （5）块坯真空电弧熔炼，制成石墨烯增强铜基的电触头复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种电触头材料，其特征在于，包括重量比为0.1-1.0%镀镍石墨烯和99.0-99.9%铜合金，铜合金的重量成分为0.15-0.5%的铋、0.1-3.0%的金属X、余量为铜，X选自锌、锡、铝、镍和银中一种或几种；制备方法包括以下步骤：（1）采用直流磁控溅射法将金属镍沉积在石墨烯表面，制成镀镍石墨烯；（2）将铜合金采用雾化法制成200-300目的铜合金粉末；（3）将镀镍石墨烯与铜合金粉末装入球磨机球磨，制成镀镍石墨烯和铜合金均匀混合的粉末；（4）将步骤（3）混合后的粉末放入模具中进行致密化处理，制成坯件；（5）块坯真空电弧熔炼，制成石墨烯增强铜基的电触头复合材料。2.根据权利要求1所述的一种电触头材料，其特征在于，石墨烯为N层，N为1-10。3.根据权利要求1所述的一种电触头材料，其特征在于，X选自锌、铝中一种或两种。4.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：冷金凤，刘易，李晨雪，滕新营，耿浩然，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东,37