低Cd电触头增强相材料、低Cd银基复合电触头材料及制备方法

低cd电触头增强相材料、低cd银基复合电触头材料及制备方法
技术领域
1.本发明涉及电触头材料技术领域，特别是涉及一种低cd电触头增强相材料、低cd银基复合电触头材料及制备方法。


背景技术：

2.能源必须转换成电能才能为人类使用，电能输出至终端设备必须要经过开关的分配和控制，诸如继电器、接触器、断路器等开关在电路系统中起关键作用，而这些开关的“核心”是电触头，其质量和性能直接决定了电器设备的服役寿命和使用安全。上世纪中后期，低压开关用电触头以ag基复合材料为主，万能电触头“ag/cdo”因其较低的电阻率和极好的抗电弧侵蚀性，占据大部分低压电器市场。但是，ag/cdo服役过程中产生大量有毒cd蒸汽，对人体和环境有害，与全球日益严苛的环保政策(elv directive 2000e.u.；weee directive 2002e.u.；rohs directive 2003e.u.)相违背，未来其必将退出电触头材料市场。上世纪末至今，拟替代ag/cdo的无cd电触头材料(诸如ag/sno2、ag/zno、ag/ni、ag/c等)仍存在加工性差、接触电阻大、温升高、材料损失大等一系列问题，性能较“ag/cdo”材料仍有较大差距，因此导致全球大部分国家和地区至今仍在少量使用ag/cdo复合电触头材料。但是在航空航天、军工领域，含cd电触头仍然是第一选择。因此，在一些特殊领域寻找cd含量低且性能也不逊色ag/cdo的新型银基复合电触头材料显然是一种实用性最强的开发方向。然而，还未找到一种合适的低cd电触头材料来替代ag/cdo。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种cd含量低的电触头增强相材料ti2cd及其制备方法以及一种ag/ti2cd复合电触头材料及其制备方法。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明的目的之一是提供一种cd含量低的电触头增强相材料：一种低cd电触头增强相材料，所述增强相材料元素组成为ti和cd，其元素摩尔比为2:1，属于ti/cd金属间化合物的一种。
6.进一步地，所述增强相材料元素为ti2cd颗粒，该电触头增强相材料为类球形，颗粒尺寸在1
‑
50μm范围内可调，该电触头增强相材料纯度高，所制备的ti2cd物相纯度在98％以上。
7.本发明的目的之二是提供所述低cd电触头增强相材料的制备方法，包括如下步骤：
8.s1:按摩尔比称取ti粉、cd粉；
9.s2:将步骤s1中ti粉、cd粉末充分混合，得到均匀混合粉末；
10.s3:将步骤s2中混合物粉末在惰性气体保护下烧结，以一定升温速率加热到设定温度并保温一段时间；
11.s4:将步骤s3中烧结的样品取出，磨粉过筛即可得到低cd电触头增强相材料。
12.进一步地，所述低cd电触头增强相材料的制备方法中步骤s1中所述ti粉的纯度大于90％，粒径为1
‑
100μm；cd粉的纯度大于90％，粒径为1
‑
200μm；ti:cd摩尔比为(2
‑
2.9):(1
‑
1.75)。
13.进一步地，所述低cd电触头增强相材料的制备方法中步骤s2所述的充分混合是指在全方位立体混粉机中混合20
‑
30h；步骤s3中惰性气体为ar气或n2气，升温速率为3
‑
30℃/min，设定温度为300
‑
1200℃，保温时间为0.5
‑
4h；步骤s4磨粉后过80
‑
600目筛。
14.本发明的目的之三是提供一种由所述低cd电触头增强相材料制备得到的低cd银基复合电触头材料。
15.进一步地，ag基占所述低cd银基复合电触头材料质量百分比为50％
‑
95％，增强相材料占所述低cd银基复合电触头材料质量百分比为5％
‑
50％。该新型低cd银基复合电触头中cd含量相比于同质量分数组成的ag/cdo商用电触头低38％以上。
16.本发明的目的之四是提供一种所述低cd银基复合电触头材料的制备方法，包括如下步骤：
17.s1:按质量百分比称取ag粉、所制备的ti2cd粉、介质液体和研磨球；
18.s2:将步骤s1中称量的粉末、介质液体和研磨球在球磨机中进行混合，将球磨后混合物干燥，得到混合料；
19.s3:将步骤s2中的混合料置于可通电模具中，通过调节电流大小控制模具温度；
20.s4:将步骤s3中的混合粉在惰性气体保护下通过动态压烧技术制备复合块体材料。
21.进一步地，所述低cd银基复合电触头材料的制备方法中，步骤s1中所述ag粉纯度大于90％，粒径为1
‑
100μm；ti2cd粉纯度大于90％，粒径为1
‑
50μm；介质液体包含酒精、丙酮和去离子水，其中酒精、丙酮纯度均大于95％，去离子水电阻率为1
‑
5μs/cm；研磨球直径1
‑
8mm，酒精:丙酮:去离子水＝(1
‑
1.2):(0.85
‑
1):(0.9
‑
1.05)；研磨球:介质液体:粉料质量比为(1
‑
3):(0.5
‑
3):1。
22.进一步地，所述低cd银基复合电触头材料的制备方法中，步骤s2中球磨时间10
‑
100min，干燥8
‑
30h。
23.进一步地，所述低cd银基复合电触头材料的制备方法中，步骤s3中通电电流大小为6
‑
24a，升温速率为5
‑
25℃/min，模具温度为300
‑
800℃；可通电模具优选为方形，方形模具长
×
宽
×
高为(20
‑
50mm)
×
(10
‑
30mm)
×
(5
‑
10mm)。
24.进一步地，所述低cd银基复合电触头材料的制备方法中，步骤s4中所述惰性气体为ar气或n2气，动态压烧技术指在通电升温过程中反复进行“压制
‑
保压
‑
泄压”操作，此过程中压制压力为50
‑
800mpa，保压时间为1
‑
40min，泄压速度为5mpa/s，操作次数为2
‑
6次。
25.本发明的目的之五是提供所述低cd银基复合电触头材料在制备低压开关中的应用，所述低压开关包括继电器、接触器、断路器等。
26.本发明公开了以下技术效果：
27.(1)本发明所得新型低cd增强相ti2cd制备工艺简单，ti2cd粉末纯度高(＞98％)，颗粒尺寸在1
‑
50μm范围内可调，制备成本低，应用范围广；
28.(2)本发明采用动态压烧技术所制备的ag/ti2cd复合电触头材料中，ti2cd增强相
材料cd含量低，ag/cdo中cd含量为43.8％，同比ag/cdo降低了38％以上，可有效减少电接触服役过程中有毒cd的释放；
29.(3)金相和sem微观照片均显示ti2cd在银基体中分散性良好，且和基体结合紧密，在一定程度上有利于复合材料整体强度的提升，增强了抗电弧机械破坏的能力；
30.(4)本发明所得ag/ti2cd复合电触头材料密度高(9.10
‑
9.33g/cm3)，导电性好(电阻率为2.07
‑
3.8μω
·
cm)，显微硬度适中(90
‑
97hv)，抗拉强度高(218
‑
235mpa)，抗电弧侵蚀性能突出，在苛刻加速条件下仍超过10000次以上有效开断电流。该新型低cd银基复合电触头材料达到应用标准，适合批量生产并在继电器、接触器、断路器等主要低压开关中使用，未来尤其在电网分配、航空航天、军事设备上具有巨大应用前景。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为实施例5制备的增强相材料ti2cd物相成分的xrd图；
33.图2是实施例5增强相材料ti2cd粉末形貌低倍sem图和高倍sem放大图；
34.图3为实施例5制备的ag/ti2cd复合电触头材料微观组织形貌图及ti2cd与银基体紧密结合的高倍sem图；
35.图4是实施例5均匀分布在银基中ti2cd的eds能谱图。
具体实施方式
36.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
37.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
38.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
39.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
40.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
41.实施例1
42.按ti:cd摩尔比为2:1分别称量ti粉(纯度＞90％)17.035g，cd粉(纯度＞90％)20.000g，放入全方位立体混粉机中，混粉20h，混粉完成后，放入烧结炉中，在ar气保护下，以3℃/min速率升温至300℃热处理0.5h，制备ti2cd粉末(物相纯度为98％)，磨粉后过80目筛，颗粒尺寸为50μm。
43.按ag:ti2cd占整体材料质量分数50％:50％，分别称量ag粉(纯度＞90％，粒径为1μm)5g，ti2cd粉5g，再按研磨球:介质液体:粉末质量比为2.5:2:1，称取直径1mm球25g，介质液体(纯度为96％的酒精:纯度为98％的丙酮:电阻率为1μs/cm的去离子水体积比＝1:1:1)20g；置于球磨机中球磨10min，取出后在干燥箱中干燥10h；再将粉末放入长
×
宽
×
高＝50mm
×
10mm
×
5mm的方形模具中，通以6a的电流，以5℃/min的升温速率升至300℃，同时通ar气进行保护，并在50mpa的压力条件下，保压1min，保压完成后，再以5mpa/s的速度泄压，重复操作2次，直接得到低cd银基复合电触头材料，其中cd含量为27.0％。
44.实施例2
45.按ti:cd摩尔比为2.1:1.2分别称量ti粉(纯度＞90％)16.539g，cd粉(纯度＞90％)20.341g，放入全方位立体混粉机中，混粉22h，混粉完成后，放入烧结炉中，在n2气保护下，以8℃/min速率升温至500℃热处理1h，制备ti2cd粉末(物相纯度为98％)，磨粉后过100目筛，颗粒尺寸为45μm。
46.按ag:ti2cd占整体材料质量分数60％:40％，分别称量ag粉(纯度＞90％，粒径为10μm)7.2g，ti2cd粉4.8g，再按研磨球:介质液体:粉末质量比为2.2:1.8:1，称取直径2mm球26.4g，介质液体(97％酒精:97％丙酮:电阻率为2μs/cm的去离子水体积比＝1.05:0.95:1)21.6g；置于球磨机中球磨30min，取出后在干燥箱中干燥12h；再将粉末放入长
×
宽
×
高＝45mm
×
15mm
×
6mm的方形模具中，通以10a的电流，以10℃/min的升温速率升至400℃，同时通n2气进行保护，并在100mpa的压力条件下，保压5min，保压完成后，再以5mpa/s的速度泄压，重复操作3次，直接得到低cd银基复合电触头材料，其中cd含量为21.6％。
47.实施例3
48.按ti:cd摩尔比为2.2:1.3分别称量ti粉(纯度＞90％)14.516g，cd粉(纯度＞90％)20.141g，放入全方位立体混粉机中，混粉24h，混粉完成后，放入烧结炉中，在n2气保护下，以10℃/min速率升温至600℃热处理1.5h，制备ti2cd粉末(物相纯度为99％)，磨粉后过150目筛，颗粒尺寸为40μm。
49.按ag:ti2cd占整体材料质量分数70％:30％，分别称量ag粉(纯度＞90％，粒径为20μm)7.7g，ti2cd粉3.3g，再按研磨球:介质液体:粉末质量比为2:1.5:1，称取直径3mm球22g，介质液体(96％酒精:98％丙酮:电阻率为3μs/cm的去离子水体积比＝1.05:0.95:1.05)12.65g；置于球磨机中球磨45min，取出后在干燥箱中干燥15h；再将粉末放入长
×
宽
×
高＝40mm
×
20mm
×
7mm的方形模具中，通以12a的电流，以12℃/min的升温速率升至500℃，同时通ar气进行保护，并在200mpa的压力条件下，保压10min，保压完成后，再以5mpa/s的速度泄压，重复操作4次，直接得到低cd银基复合电触头材料，其中cd含量为16.2％。
50.实施例4
51.按ti:cd摩尔比为2.3:1.4分别称量ti粉(纯度＞90％)14.792g，cd粉(纯度＞90％)21.141g，放入全方位立体混粉机中，混粉26h，混粉完成后，放入烧结炉中，在n2气保
护下，以15℃/min速率升温至650℃热处理2h，制备ti2cd粉末(物相纯度为99％)，磨粉后过200目筛，颗粒尺寸为40μm。
52.按ag:ti2cd占整体材料质量分数75％:25％，分别称量ag粉(纯度＞90％，粒径为40μm)12g，ti2cd粉4g，再按研磨球:介质液体:粉末质量比为1.6:1.2:1，称取直径3.5mm球25.6g，介质液体(97％酒精:99％丙酮:电阻率为4μs/cm的去离子水体积比＝1.05:0.95:0.95)19.2g；置于球磨机中球磨60min，取出后在干燥箱中干燥20h；将粉末放入长
×
宽
×
高＝35mm
×
25mm
×
8mm的方形模具中，通以15a的电流，以15℃/min的升温速率升至550℃，同时通n2气进行保护，并在300mpa的压力条件下，保压15min，保压完成后，再以5mpa/s的速度泄压，重复操作5次，直接得到低cd银基复合电触头材料，其中cd含量为13.5％。
53.实施例5
54.按ti:cd摩尔比为2.4:1.65分别称量ti粉(纯度＞90％)14.578g，cd粉(纯度＞90％)23.532g，放入全方位立体混粉机中，混粉27h，混粉完成后，放入烧结炉中，在ar气保护下，以18℃/min速率升温至700℃热处理2.5h，制备ti2cd粉末(物相纯度为99％)，磨粉后过300目筛，颗粒尺寸为35μm。
55.按ag:ti2cd占整体材料质量分数80％:20％，分别称量ag粉(纯度＞90％，粒径为50μm)10g，ti2cd粉2.5g，再按研磨球:介质液体:粉末＝1.5:1:1，称取直径4mm球21g，介质液体(98％酒精:99％丙酮:电阻率为5μs/cm的去离子水体积比＝1.1:0.9:1)14g；置于球磨机中球磨70min，取出后在干燥箱中干燥22h；将粉末放入长
×
宽
×
高＝30mm
×
30mm
×
9mm的方形模具中，通以18a的电流，以18℃/min的升温速率升至600℃，同时通ar气进行保护，并在400mpa的压力条件下，保压20min，保压完成后，再以5mpa/s的速度泄压，重复操作6次，直接得到低cd银基复合电触头材料，其中cd含量为10.8％。
56.本实施例制备的增强相材料ti2cd物相成分的xrd图见图1，增强相材料ti2cd粉末形貌低倍sem图和高倍sem放大图见图2，ag/ti2cd复合电触头材料微观组织形貌图及ti2cd与银基体紧密结合的高倍sem图见图3，均匀分布在银基中ti2cd的eds能谱图见4。金相和sem微观照片均显示ti2cd在银基体中分散性良好，且和基体结合紧密，在一定程度上有利于复合材料整体强度的提升，增强了抗电弧机械破坏的能力。
57.实施例6
58.按ti:cd摩尔比为2.5:1.6分别称量ti粉(纯度＞90％)12.947g，cd粉(纯度＞90％)19.456g，放入全方位立体混粉机中，混粉28h，混粉完成后，放入烧结炉中，在n2气保护下，以20℃/min速率升温至800℃热处理3h，制备ti2cd粉末(物相纯度为99％)，磨粉后过400目筛，颗粒尺寸为30μm。
59.按ag:ti2cd占整体材料质量分数85％:15％，分别称量ag粉(纯度＞90％，粒径为70μm)11.9g，ti2cd粉2.1g，再按研磨球:介质液体:粉末质量比为1.4:0.8:1，称取直径4.5mm球19.6g，介质液体(98％酒精:96％丙酮:电阻率为3μs/cm的去离子水体积比＝1.2:0.8:1.05)11.2g；置于球磨机中球磨80min，取出后在干燥箱中干燥24h；将粉末放入长
×
宽
×
高＝40mm
×
25mm
×
10mm的方形模具中，通以20a的电流，以20℃/min的升温速率升至650℃，同时通n2气进行保护，并在500mpa的压力条件下，保压25min，保压完成后，再以5mpa/s的速度泄压，重复操作4次，直接得到低cd银基复合电触头材料，其中cd含量为8.1％。
60.实施例7
61.按ti:cd摩尔比为2.6:1.7分别称量ti粉(纯度＞90％)13.976g，cd粉(纯度＞90％)23.456g，放入全方位立体混粉机中，混粉29h，混粉完成后，放入烧结炉中，在ar气保护下，以25℃/min速率升温至1000℃热处理3.5h，制备ti2cd粉末(物相纯度为99％)，磨粉后过500目筛，颗粒尺寸为25μm。
62.按ag:ti2cd占整体材料质量分数90％:10％，分别称量ag粉(纯度＞90％，粒径为90μm)10.8g，ti2cd粉1.2g，再按研磨球:介质液体:粉末质量比为1.2:0.6:1，称取直径4.5mm球14.4g，介质液体(99％酒精:97％丙酮:电阻率为2μs/cm的去离子水体积比＝1.15:0.95:0.9)7.2g；置于球磨机中球磨90min，取出后在干燥箱中干燥26h；将粉末放入长
×
宽
×
高＝45mm
×
20mm
×
8mm的方形模具中，通以22a的电流，以22℃/min的升温速率升至700℃，同时通ar气进行保护，并在600mpa的压力条件下，保压30min，保压完成后，再以5mpa/s的速度泄压，重复操作2次，直接得到低cd银基复合电触头材料，其中cd含量为5.4％。
63.实施例8
64.按ti:cd摩尔比为2.9:1.75分别称量ti粉(纯度＞90％)13.855g，cd粉(纯度＞90％)19.632g，放入全方位立体混粉机中，混粉30h，混粉完成后，放入烧结炉中，在n2气保护下，以30℃/min速率升温至1200℃热处理4h，制备ti2cd粉末(物相纯度为99％)，磨粉后过600目筛，颗粒尺寸为20μm。
65.按ag:ti2cd占整体材料质量分数95％:5％，分别称量ag粉(纯度＞90％，粒径为100μm)15.2g，ti2cd粉0.8g，再按研磨球:介质液体:粉末质量比为1:0.5:1，称取直径4.5mm球16g，介质液体(99％酒精:98％丙酮:电阻率为4μs/cm的去离子水体积比＝1.2:0.85:1.05)8g；置于球磨机中球磨100min，取出后在干燥箱中干燥30h；将粉末放入长
×
宽
×
高＝40mm
×
10mm
×
10mm的方形模具中，通以24a的电流，以25℃/min的升温速率升至800℃，同时通n2气进行保护，并在800mpa的压力条件下，保压40min，保压完成后，再以5mpa/s的速度泄压，重复操作6次，直接得到低cd银基复合电触头材料，其中cd含量为2.7％。
66.对实施例1
‑
8所制备得到的低cd银基复合电触头材料进行性能检测(其中电接触性能在国标(gb14048.4
‑
2010)基础上380v/50a/ac
‑
3条件下测试)，检测结果见表1。
67.表1实施例1
‑
8复合电触头材料综合性能
68.性能实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6实施列7实施例8密度(g/cm2)9.109.129.179.289.319.339.259.21电阻率(μω
·
cm)2.072.273.113.293.563.743.363.21显微硬度(hv)9092949397959193抗拉强度(mpa)218212219217235231223220电寿命(次)＞10000＞10000＞10000＞10000＞10000＞10000＞10000＞10000
69.通过表1可以看出，本发明通过无压快速烧结制备ti2cd粉末在银基体中与其结合紧密，致使复合材料具有较高密度(9.10
‑
9.33g/cm3)，保证了复合材料的均一性，有利于实际生产和应用。ti2cd粉末均匀分散在银基体中起到了显著增强效果，使得复合材料具有良好的显微硬度(90
‑
97hv)，并保证了其具有良好的抗拉等力学特性(218
‑
235mpa)。ti2cd本身导电性突出，与ag基体复合后保证了复合电触头优异的导电性(电阻率2.07
‑
3.8μω
·
cm)，使得电触头在服役过程中导电传热性好，接触电阻低，温升小，进一步保证了其具有优异的抗电弧侵蚀性能(电寿命均在1万次以上)。因此，ti2cd增强的银基复合电触头综合性
能优异，cd含量还较ag/cdo低38％以上，具有突出的低毒性，未来在航空、航天、航海、军事等方面具有显著的应用优势。有望替代ag/cdo，进一步推动银基电触头材料领域的低cd化，为未来无cd化进程奠定基础。
70.对比例1
71.ti2cd粉制备过程同实施例6，按ag:ti2cd占整体材料质量分数85％:15％，分别称量ag粉(纯度＞90％，粒径为70μm)11.9g，ti2cd粉2.1g，再按研磨球:粉末质量比为1.4:1，称取直径4.5mm球19.6g，置于混粉机中混合24h，再将混合粉末直接放入直径15mm圆形模具中在500mpa的压力条件下，保压10min成型，得到ag/ti2cd复合电触头材料。
72.对比例2
73.按ag:ti3sic2占整体材料质量分数85％:15％，分别称量ag粉(纯度＞90％，粒径为70μm)11.9g，ti3sic2粉2.1g，其他步骤与实施例6相同。
74.对比例3
75.按ag:ti3c2占整体材料质量分数85％:15％，分别称量ag粉(纯度＞90％，粒径为70μm)11.9g，ti3c2粉2.1g，其他步骤与实施例6相同。
76.对比例4
77.按ag:cds占整体材料质量分数85％:15％，分别称量ag粉(纯度＞90％，粒径为70μm)11.9g，cds粉2.1g，其他步骤与实施例6相同。
78.对比例1
‑
4所制备得到的复合电触头材料进行性能检测(其中电接触性能在国标基础上380v/50a/ac
‑
3条件下测试)，检测结果见表2。
79.表2对比例1
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4复合电触头材料及商用ag/cdo综合性能
80.性能对比例1对比例2对比例3对比例4商用ag/cdo密度(g/cm2)8.868.908.738.969.08电阻率(μω
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cm)3.793.643.713.833.59显微硬度(hv)7980838488抗拉强度(mpa)145153167157209电寿命(次)70006000400050008500
81.从表2可以看出，对比例1、2、3、4中密度、电阻率、硬度、抗拉强度，抗电弧侵蚀寿命综合性能都不及商用ag/cdo复合电触头材料优异。相同条件下，动态放电实验制备的ag/ti2cd复合电触头材料致密度高，电阻率低，硬度适中，抗拉强度优异，抗电弧侵蚀次数多，并超过其他实验方法及材料制备的复合电触头材料，其综合性能超过ag/cdo复合电触头材料，具体商业应用价值和潜力。
82.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。