专利名称：一种银基电接触头材料的制作方法
技术领域：
本发明属于电功能材料领域，以纳米碳管、纳米炭纤维等纳米碳制材料来代替或者部分代替石墨/银触头材料中的石墨，该电触头材料是具有高耐磨特性和耐电弧侵蚀特性的银基电接触头材料。
背景技术：
石墨银合金近年来得到了越来越广泛的应用，石墨含量为3～10％的银石墨触头最主要的特性是高的抗熔焊性，低的接触电阻，温升小，作为滑动触头使用时有自润滑性能等，因而适用于做开关触头，典型使用在低压断路器、电抗保护开关、线路保护开关、漏电保护开关和滑环转换器等(GB12940-1991)。银石墨可与银镍配对使用，应用于塑壳万能式断路器、中小电流接触器、微动开关等。同时，银石墨合金也是一种重要的军工用电接触材料，应用于雷达装置，跟踪测控装置等。但是银石墨触头在使用存在电烧蚀严重，电寿命短的最大缺点。碳有稳定电弧的倾向，在空气中的热稳定性差，燃弧时造成触头表面脆化，甚至灭弧罩积碳(主要发生在高含量石墨类型的银石墨触头)，银石墨触头的失效一般是由于石墨的大量烧蚀，一方面造成触头表面出现一种类似海绵状的结构，同时和空气中的氧反应逸出CO气体，两方面共同作用，在开断操作中造成更严重的材料损耗。
纳米碳管是九十年代初被发现的碳家族的新成员，是纳米材料中的一个前沿研究方向之一，由于纳米碳管结构独特、性能优异而受到世界各国的广泛关注和重视。纳米碳管包括单壁纳米碳管和多壁纳米碳管，直径分别为1～100纳米。因为纳米碳管具有独特的结构特征，如纳米尺度的结构、长径比大、结构缺陷少、比表面积大等，这使得纳米碳管表现出优异的力学、电学及化学性质。同时，直径介于纳米碳管和气相生长炭纤维之间的纳米炭纤维不仅具有气相生长炭纤维所具有的特性，在结构、性能和应用等方面又与纳米碳管相似，特别是纳米炭纤维比纳米碳管更容易工业化生产和价格低廉，具有更好的应用前景(国家专利ZL96115390.3和ZL01248689.2)，其应用可能更加广泛。我们把纳米碳管和纳米炭纤维称为一维纳米炭材料。随着一维纳米炭材料制备技术改进和产量逐步增加，其应用领域已经在不断拓宽。一维纳米炭材料应用的领域之一就是作为添加剂制成复合材料，如将少量一维纳米炭材料加入到高分子、树脂等聚合物中，可明显提高该材料的导电性，如在高分子材料中加入一定量的一维纳米炭材料(约2％)，可使高分子材料的电阻率普遍降低3个数量级以上，使其具有抗静电功能。利用一维纳米炭材料的优良力学性能，对于金属基复合材料，如纳米碳管/铁，纳米碳管/铝，纳米碳管/镍，纳米碳管/铜复合材料其耐磨性远远大于单质金属。因此，如果能将纳米碳管、纳米炭纤维、纳米石墨粉等人们新近发现的碳制材料作为添加剂加入银基触头中，制成新型高性能银基触头材料。目前，这种银基电触头材料尚未见报道。
发明内容
为了改善银触头的性能，本发明的目的在于提供一种以一维纳米炭材料/银为基础的、具有高耐磨特性和耐电弧侵蚀特性的银基电接触头材料。
为了实现上述目的，本发明技术方案是采用具有0.5～20wt％碳质材料，其余成分为银的银基电接触材料，其中所述的碳质材料包括纳米碳管、纳米炭纤维、纳米石墨粉或金刚石粉，也包括这些碳质材料的混合物，以及它们与普通石墨粉的混合物，余量银的粒度可以从10nm～500μm；纳米碳管包括单壁纳米碳管和/或多壁纳米碳管，其直径范围在1～100nm，纳米炭纤维的直径范围在100～500nm，纳米石墨粉粒径从10～500nm。
本发明提出发展一种新型的具有高耐磨特性和耐电弧侵蚀特性的银基电接触材料。通过改变添加的炭组元结构，以纳米碳管等一维纳米炭材料添加到银中得到的银基复合头材料，得到具有优异性能的银基电触头材料。
本发明具有如下有益效果1.性能优异。本发明以一维纳米炭材料/银为基础(纳米碳管、纳米炭纤维、纳米石墨粉和/或金刚石粉，也包括这些碳质材料的混合物，以及它们与普通石墨粉的混合物添加到银中得到的银基复合头材料)达到提高银/炭触头性能之目的，具体表现在其高耐磨特性和耐电弧侵蚀特性高；与石墨银触头材料相比，本发明在保证高导电率、高导热率，高强度和自润滑性能的同时，能大幅度降低材料的电侵蚀率和提高触头的耐磨损性能，可以完全取代银石墨触头材料。
2.具有长寿命特点。由于机械磨损速率降低、耐电弧侵蚀性能提高，触头具有更长的寿命。
图1为本发明高耐磨特性和耐电弧侵蚀特性的银基电接触头材料制备过程示意图。
图2为本发明实施例8得到纳米炭纤维/银触头材料显微组织。
实施例中的单壁纳米碳管、多壁纳米碳管和纳米炭纤维等分别采用下面的方法得到，其中气相分解碳氢化合物方法制备单壁纳米碳管过程为碳源为低熔点的水分子碳氢化合物，碳原子数小于10；稀释气体为氢气、氩气、氮气，碳源与稀释气体的摩尔比在0.5～5范围内；催化剂为铁、铂、镍的金属有机化合物，催化剂与碳源的摩尔比1/20～1/10；当催化剂为铁、钴类时，导入碳源的温度为400～500℃，到最终反应温度1050～1250℃，所用升温速率为20～30℃/min，保温0.5～2小时；当催化剂为镍时，导入碳源的温度为250～350℃，到最终反应温度600～800℃，所用升温速率为20～30℃/min，保温0.5～2小时。
氢电弧法制备单壁纳米碳管过程为采用氢电弧法制备具有宏观长度(厘米级)绳束状单壁纳米碳管作为阳极的石墨圆盘表面加工有5个圆孔，各填充反应物2.0g，所述反应物含有均匀混合的2.6at％Ni、0.7at％Fe、0.7at％Co、0.75at％FeS，其余为石墨粉。φ10mm石墨棒作为阴极。反应器内充入200乇氢气，起弧电流为150A直流，两电极间保持2mm的距离，每个孔反应时间3分钟，之后更换反应室内气体，旋转阳极圆盘，蒸发下一个孔内的反应物。总反应时间30分钟。
气相分解碳氢化合物方法制备多壁纳米碳管和纳米炭纤维过程过程为碳源与催化剂在气态下充分混合，匀速输入反应区，反应区与水平线间夹角在0～60°变化，其中碳源为低熔点小分子碳氢化合物，供量为4×10-4～1.2×10-3克当量碳/厘米2·分钟，稀释气和载体气为氢气，氦气或氮气，供量为10～35厘米/分钟，催化剂为Fe，供量为3×10-7～2.5×10-6克当量催化剂/小时。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1如图1所示，一维纳米炭材料/银基电触头的制备过程是
将所述比例的Ag粉和第二相(纳米碳管、纳米炭纤维、纳米石墨粉或金刚石粉)，也包括这些碳质材料的混合物，以及它们与普通石墨粉的混合物，混合均匀(球磨1～10小时；本实施例为5小时)分别进行冷压(1000MPa压力下)、烧结(300～600℃，保温1～10小时；本实施例为500℃，保温5小时)和后续加工致密化(300～600℃，800MPa多次重复热压；本实施例以300℃、500℃、600℃3次热压)，得到具有高耐磨特性和耐电弧侵蚀特性的银基电接触头材料，得到的触头材料的基本参数为密度8.0～9.0g/cm3，洛氏硬度110～130，试验触头的电导率30～50m/Ω·mm2。
将气相分解碳氢化合物方法制得多壁纳米碳管作为一种添加相加入银基触头中。将95wt％的银粉、5wt％多壁纳米碳管(平均直径为10nm)均匀混合，利用本实施例一维纳米炭材料/银基电触头的制备过程，经过球磨混合，冷压成型，烧结成坯，复压等工序制备出多壁纳米碳管/银电触头材料。
实施例2将将气相分解碳氢化合物方法制得多壁纳米碳管作为一种添加相加入银基触头中。将95wt％的银粉、5wt％多壁纳米碳管(平均直径为40nm)均匀混合，利用实施例1一维纳米炭材料/银基电触头的制备过程，经过混合，冷压成型，烧结成坯，热挤压、轧制、等常规银触头生产工序制备出的多壁纳米碳管/银电触头材料。
实施例3将气相分解碳氢化合物方法制得单壁纳米碳管作为一种添加相加入银基触头中。将99wt％的银粉、1wt％单壁纳米碳管均匀混合，利用实施例1一维纳米炭材料/银基电触头的制备过程，经过球磨混合，冷压成型，烧结成坯，复压等工序制备出的单壁纳米碳管/银电触头材料。
实施例4将氢电弧法制备单壁纳米碳管得单壁纳米碳管作为一种添加相加入银基触头中。将99wt％的银粉、1wt％单壁纳米碳管均匀混合，利用实施例1一维纳米炭材料/银基电触头的制备过程，经过球磨混合，冷压成型，烧结成坯，热挤压、轧制等常规银触头生产工序制备出的单壁纳米碳管/银电触头材料。
实施例5将将氢电弧法制备的双壁纳米碳管作为一种添加相加入银基触头中。将99wt％的银粉、1wt％双壁纳米碳管均匀混合，利用实施例1一维纳米炭材料/银基电触头的制备过程，经过高能球磨，冷压成型，烧结成坯，复压等工序制备出的双壁纳米碳管/银电触头材料。
实施例6将气相分解碳氢化合物方法制得多壁纳米碳管(平均直径为50nm)和纳米石墨粉(平均粒径40nm)作为一种复合添加相加入银基触头中。将95wt％的银粉、5wt％多壁纳米碳管/纳米石墨粉均匀混合，利用实施例1一维纳米炭材料/银基电触头的制备过程，经过球磨，冷压成型，烧结成坯，热挤压、轧制等常规银触头生产工序制备出的多壁纳米碳管-纳米石墨粉/银电触头材料。
实施例7将气相分解碳氢化合物方法制得多壁纳米碳管(平均直径为50nm)和金刚石粉作为一种复合添加相加入银基触头中。将95wt％的银粉、5wt％多壁纳米碳管/金刚石粉均匀混合，利用实施例1一维纳米炭材料/银基电触头的制备过程，经过球磨，冷压成型，烧结成坯，热压、轧制等常规银触头生产工序制备出的多壁纳米碳管-金刚石粉/银电触头材料。
实施例8将气相分解碳氢化合物方法制得纳米炭纤维作为一种添加相加入银基触头中。将95wt％的银粉、5wt％纳米炭纤维(平均直径为300nm)均匀混合，利用实施例1一维纳米炭材料/银基电触头的制备过程，经过球磨，冷压成型，烧结成坯，热压、轧制等常规银触头生产工序制备出的纳米炭纤维/银电触头材料。其结果参见图2。
实施例9将气相分解碳氢化合物方法制得纳米炭纤维作为一种添加相加入银基触头中。将95wt％的银粉、5wt％纳米炭纤维(平均直径为500nm)均匀混合，利用实施例1一维纳米炭材料/银基电触头的制备过程，经过球磨，冷压成型，烧结成坯，热压、轧制等常规银触头生产工序制备出的纳米炭纤维/银电触头材料。
实施例10将气相分解碳氢化合物方法制得纳米炭纤维作为一种添加相加入银基触头中。将90wt％的银粉、10wt％纳米炭纤维(平均直径为100nm)均匀混合，利用实施例1一维纳米炭材料/银基电触头的制备过程，经过球磨，冷压成型，烧结成坯，热压、轧制等常规银触头生产工序制备出的纳米炭纤维/银电触头材料。
实施例11将气相分解碳氢化合物方法制得纳米炭纤维作为一种添加相加入银基触头中。将99wt％的银粉、1wt％纳米炭纤维(平均直径为300nm)均匀混合，利用实施例1一维纳米炭材料/银基电触头的制备过程，经过高能球磨，冷压成型，烧结成坯，复压等等常规银触头生产工序制备出的纳米炭纤维/银电触头材料。
实施例12将气相分解碳氢化合物方法制得纳米炭纤维(平均直径为100nm)和普通商品石墨粉(其纳米炭纤维/石墨粉重量比为1∶1)作为一种添加相加入银基触头中。将90wt％的银粉、10wt％纳米炭纤维/石墨粉混合物均匀混合，利用实施例1一维纳米炭材料/银基电触头的制备过程，经过球磨，冷压成型，烧结成坯，热压、轧制、拉丝等常规银触头生产工序制备出的纳米炭纤维-石墨/银电触头材料。
实施例13将气相分解碳氢化合物方法制得纳米炭纤维(平均直径为300nm)和普通商品石墨粉(其纳米炭纤维/石墨粉重量比为3∶1)作为一种添加相加入银基触头中。将90wt％的银粉、10wt％纳米炭纤维/石墨粉混合物均匀混合，利用实施例1一维纳米炭材料/银基电触头的制备过程，经过球磨，冷压成型，烧结成坯，热压、轧制、拉丝等常规银触头生产工序制备出的纳米炭纤维石墨/银电触头材料。
本发明还可以采用纳米石墨粉或金刚石粉，(包括这些碳质材料的混合物以及它们与石墨粉的混合物)为碳质材料，其中所述纳米碳管可以为单壁纳米碳管和多壁纳米碳管的组合。
权利要求
1.一种银基电接触材料，其特征在于该材料的组成为具有0.5～20wt％碳质材料，余量的银。
2.按照权利要求1所述银基电接触材料，其特征在于其中所述的碳质材料包括纳米碳管、纳米炭纤维、纳米石墨粉或金刚石粉，也包括这些碳质材料的混合物以及它们与石墨粉的混合物。
3.按照权利要求2所述银基电接触材料，其特征在于所述余量银的粒度可以从10nm～500μm。
4.按照权利要求2所述银基电接触材料，其特征在于其中所述纳米碳管可以为单壁纳米碳管和/或多壁纳米碳管，其直径范围为1～100nm。
5.按照权利要求2所述银基电接触材料，其特征在于其中所述纳米炭纤维直径范围为100～500nm。
6.按照权利要求2所述银基电接触材料，其特征在于其中所述纳米石墨粉粒径范围为10～500nm。
全文摘要
本发明提供了一种耐磨损、耐电弧侵蚀的长寿命银基电接触材料，其特征在于材料的组成为由0.5～20wt％碳制材料和其余余量的银组成。本发明利用具有导电和力学特性的一维纳米炭材料，部分或完全替代石墨加入银基体中，制成一维纳米炭材料银/复合电接触材料，与石墨银触头材料相比，新材料在保证高导电率、高导热率，高强度和自润滑性能的同时，大幅度降低材料的电侵蚀率和提高触头的耐磨损性能。可以完全取代银石墨触头材料。
文档编号C22C5/00GK1552926SQ0313358
公开日2004年12月8日 申请日期2003年6月4日 优先权日2003年6月4日
发明者王亚平, 成会明, 蒋鹏, 李峰 申请人:中国科学院金属研究所