石墨烯/镍/铜基触头材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯/镍/铜基触头材料及其制备方法和应用。所述石墨烯/镍/铜基触头材料的制备方法，包括如下步骤：于铜基材的表面电镀镍过渡层；于所述镍过渡层的表面制备石墨烯层；以质量百分比计，电镀镍过渡层采用的镀液的组成包括：NiSO4·

【技术实现步骤摘要】
石墨烯/镍/铜基触头材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及高压触头材料
，特别是涉及一种石墨烯/镍/铜基触头材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]电触头是电器开关、仪器组件等的接触元件，作用包括负载电流、接通、分断电流等，电触头材料的性能及服役情况直接决定电气开关的开断能力、接触安全和可靠性等。轨道交通牵引动力系统的开关器件下端负载高达数百千瓦的大型牵引机组，其关键部件的电触头材料面临着电弧开断难度大、电弧烧蚀严重等巨大挑战。地铁、高铁中的大型牵引机组所采用的空气直流开关，由于直流开关的伏安特性，使得电弧稳定性增强，电弧和关断后的电流产生焦耳热，很容易造成电触头材料的烧蚀、熔焊和蒸发。而电弧对电触头材料产生的烧蚀破坏将会造成电气开关的失效，从而影响高铁、地铁等牵引机组的稳定运作。因此，开发一种耐电弧烧蚀的电触头材料对高压电气行业的发展将大有裨益。
[0003]铜具有高导电、高导热的优异特性，是高压电力系统中的关键电触头材料。但铜存在熔点低、杨氏模量低等缺点，目前对于铜触头材料的应用和防护处理的研究中，主要采用碳材料对铜基底材料进行改性，提升其电工性能。
[0004]传统技术中大多将碳材料粉末与铜粉末在触头成型前进行混和掺杂，再经一系列成型加工形成复合铜触头，这种方法对触头性能有一定的提升，但不能使改性材料的性能完全发挥，且不能在长时间的高压工况下保持电工性能的稳定性。
[0005]石墨烯作为新兴材料，其具有超高的杨氏模量、电导率和热导率，满足高压系统对电工材料的需要。在铜基底表面制备石墨烯层可以有效改善铜触头的使用性能，但是石墨烯薄膜直接与铜基底接触会出现结合强度不够，无法持久在高压下保持抗电弧烧蚀的问题，因此导致铜触头失效。有方法在石墨烯薄膜与铜基底之间制作一层镍过渡层，通过镍过渡层促进石墨烯的生长并提高石墨烯与铜基底的结合强度，其中镍过渡层采用电镀法制作，其采用的镀液可举例如：250～350g/L NiSO4·
6H2O、15～50g/L NiCl
·
6H2O、15～50g/LH3BO3和0～0.1g/L十二烷基硫酸钠，电镀液的pH值保持在3.5～5.5。此类镀液成分通常含有有机或无机危害物，对环境不友好，且形成的镍过渡层对石墨烯生长的促进作用也有限，石墨烯薄膜的结晶度低，影响触头材料的使用性能和使用寿命。

技术实现思路

[0006]基于此，本专利技术提供一种石墨烯薄膜结晶度高，材料的使用性能和使用寿命好的石墨烯/镍/铜基触头材料的制备方法。
[0007]本专利技术的第一方面，提供一种石墨烯/镍/铜基触头材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008]于铜基材的表面电镀镍过渡层；
[0009]于所述镍过渡层的表面制备石墨烯层；
[0010]以质量百分比计，电镀镍过渡层采用的镀液的组成包括：
[0011]NiSO4·
6H2O 25～35g/L、柠檬酸钠30～50g/L、硫酸铵20～35g/L和次磷酸钠18～30g/L，以氨水调节pH值至7.5～8.5。
[0012]在其中一个实施例中，于所述镍过渡层的表面制备石墨烯层的步骤包括：
[0013]将固态碳源与醇类溶剂混合，所得混合物涂布于所述镍过渡层的表面形成碳源预制层，制备预制件；
[0014]对所述预制件进行热处理，于所述镍过渡层的表面原位生长所述石墨烯层。
[0015]在其中一个实施例中，于所述镍过渡层的表面制备石墨烯层的步骤具有如下所示特征中的至少一个：
[0016](1)所述醇类溶剂为甲醇和乙醇中的一种或两种；
[0017](2)所述固态碳源与醇类溶剂的质量比为(1～10):1；
[0018](3)所述固态碳源包括镍包石墨粉、石墨粉和镍碳混合粉中的一种或多种；可选地，所述镍碳混合粉中镍和碳的质量比为(0.5～5):1；可选地，所述镍包石墨粉、石墨粉或镍碳混合粉的粒径为30μm～100μm；
[0019](4)所述碳源预置层的厚度为1μm～10μm。
[0020]在其中一个实施例中，热处理的温度为700℃～1000℃，时间为5min～30min。
[0021]在其中一个实施例中，所述镍过渡层的厚度为50μm～200μm。
[0022]在其中一个实施例中，所述铜基材上铜箔的厚度为5μm～20μm。
[0023]在其中一个实施例中，电镀镍过渡层的条件包括：功率为0.04W～0.3W，电流控制范围为5mA～10mA，时间为1min～60min。
[0024]在其中一个实施例中，电镀镍过渡层之前，还包括清洗铜基材的表面的步骤，清洗采用的清洗液为1～5mol/L H2SO4水溶液或0.1～1mol/L HCl水溶液。
[0025]本专利技术的第二方面，提供第一方面所述的制备方法制备得到的石墨烯/镍/铜基触头材料。
[0026]本专利技术的第三方面，提供一种电触头，其材料包括第二方面所述的石墨烯/镍/铜基触头材料。
[0027]上述石墨烯/镍/铜基触头材料的制备方法，通过采用合适的镀液进行镍过渡层的电镀，如此形成的镍过渡层的晶向具有择优取向，主要为(220)面，并保证制备的镍过渡层的的厚度，能够极大地促进石墨烯层在铜基材表面的生长，进而充分发挥石墨烯高熔点、高热导率、高电导率、化学惰性及高摩擦系数的优点，使制备得到的石墨烯/镍/铜基触头材料具有可靠的抗烧蚀性和耐磨性，极大程度提升了触头材料的使用性能和使用寿命。同时，该镀液无有机或无机危害物，环境友好。
[0028]此外，上述石墨烯/镍/铜基触头材料的制备方法还具有以下优点：
[0029](1)制备得到的镍过渡层不仅可以作为石墨烯生长的催化剂，另一方面还可以增加铜基材的机械性能，且可以降低铜在热处理过程中的高导热性，进一步有利于石墨烯的生长；
[0030](2)制备得到的镍过渡层能够促进石墨烯层在其表面的全面覆盖，石墨烯层与铜基材紧密结合；
[0031](3)石墨烯层结晶度高的特点使其具有超高的抗电弧侵蚀能力，为铜金属提供了
可靠的抗熔焊性和抗氧化性，可大程度提升铜金属触头的使用寿命和安全性，降低了因铜易氧化而引起的熔焊和不耐电弧侵蚀引起的巨大经济损失和安全事故。
附图说明
[0032]图1为一实施例制备得到的镍过渡层的XRD图谱；
[0033]图2为一实施例制备得到的石墨烯薄膜表面任取三个测试点测试的拉曼图谱；
[0034]图3为一实施例制备得到的石墨烯/镍/铜基触头材料样品的摩擦系数测试结果。
具体实施方式
[0035]以下结合具体实施例对本专利技术的石墨烯/镍/铜基触头材料及其制备方法和应用作进一步详细的说明。本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本专利技术公开内容理解更加透彻全面。
[0036]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/镍/铜基触头材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：于铜基材的表面电镀镍过渡层；于所述镍过渡层的表面制备石墨烯层；以质量百分比计，电镀镍过渡层采用的镀液的组成包括：NiSO4·
6H2O 25～35g/L、柠檬酸钠30～50g/L、硫酸铵20～35g/L和次磷酸钠18～30g/L，以氨水调节pH值至7.5～8.5。2.根据权利要求1所述的石墨烯/镍/铜基触头材料的制备方法，其特征在于，于所述镍过渡层的表面制备石墨烯层的步骤包括：将固态碳源与醇类溶剂混合，所得混合物涂布于所述镍过渡层的表面形成碳源预制层，制备预制件；对所述预制件进行热处理，于所述镍过渡层的表面原位生长所述石墨烯层。3.根据权利要求2所述的石墨烯/镍/铜基触头材料的制备方法，其特征在于，于所述镍过渡层的表面制备石墨烯层的步骤具有如下所示特征中的至少一个：(1)所述醇类溶剂为甲醇和乙醇中的一种或两种；(2)所述固态碳源与醇类溶剂的质量比为(1～10):1；(3)所述固态碳源包括镍包石墨粉、石墨粉和镍碳混合粉中的一种或多种；可选地，所述镍碳混合粉中镍和碳的质量比为(0.5～5):1；可选地，所述镍包石墨粉、石墨粉或镍碳混合粉的粒径为...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨倩倩，刘源，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：