一种石墨烯电极的制作方法

本发明涉及一种电极材料，特别是一种石墨烯电极以及加工方法，属于电极材料
技术领域：
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背景技术：
：电极是导电材料端头上用于将导线连通的专用导电材料，由于电极材料的端头位置涉及到变形的连接结构，不同的连接结构之间往往不同工人实施所致的不同结合状态，导致端头的连接位置常常是导线电阻升高点。对于导电的端头的特殊连接部位如果不能及时采取必要的优化措施，那么端头部位很可能发展为导线连接的薄弱进而存在安全隐患。现有技术中，导线电极采用采用黄铜、铜、钢芯等制成，并在导线电极的表面电镀一层具有优良电传导性能的导电层来改善导线连接端头的薄弱。另外，导线端头由于电阻较高，发热也较导线其他部分更加严重，这使得导线端头更加容易发挥氧化，氧化层会快速劣化导线断头的电传导性能，需要采取的必要的控制措施，以免导线端头因为氧化导致电阻升高。目前，常用的导线端头涂层是电镀金涂层，但是黄金的价格逐年上涨，对于高功率的导线，比传统导线具有更大的发热率。尤其是在导线端头作为连接接通的瞬间，高电流峰值使得电侵蚀更加突出，电镀金涂层存在融化变软的可能，同时在相应的机械外力作用下，电镀金涂层发挥变形，镀层功效出现局部失效，导致导线电极电镀层作用减弱或消失。技术实现要素：本发明的目的在于针对现有技术中电镀金导线电极的电镀金涂层容易失效的不足，提供一种全新的石墨烯电极。本发明的石墨烯电极具有更好的耐久性，能够长期工作达到高效率状态，避免因为导线电极通过的瞬态高电流发热等导致的电镀金涂层软化变形失效等问题，使得电极具有更好的工作稳定性，能够长期正常稳定的工作。为了实现上述发明目的，本发明提供一下技术方案：一种石墨烯电极，包括电极芯层，和包裹在电极芯层表面的石墨烯复合材料层，以及包裹在石墨烯复合材料层表面的电镀紫铜涂层。所述石墨烯复合材料层是包括重量份的以下成分制成：石墨烯6-10％、腐殖酸1-3％、余量为黄铜。所述电镀紫铜涂层厚度5-20μm。本发明石墨烯电极采用电极芯层作为中心棒材结构，在其表面依次结合上石墨烯复合材料层和表面电镀紫铜涂层。电镀紫铜涂层具有良好的导电性能，在电极使用初期可以直接提供良好的导电性能。当电极因为大电流发热电阻紫铜涂层被软化变形以后，暴露出石墨烯复合材料层，石墨烯复合材料层可以在摩擦作用下部分石墨烯材料转移到电极表面，形成良好的耐摩擦保护层以及导通结构，使得电极因为大电流所致发热得到缓解。本发明石墨烯电极可以长期稳定应用，对于各种大电流应用环境都具有突出的优秀的稳定性优势，更具有一般电极所不具备的综合稳定性优势。腐殖酸的添加应用使得石墨烯在复合材料层中的分散性能良好，请别分散作用不改变或降低石墨烯的独特增强特性。进一步，所述黄铜是h62、h65、h70、h75、h80、h85、h90、h96黄铜。优选地，所述黄铜是铜含量为80-96wt％的黄铜。更优选地，黄铜中铜含量为92-96wt％。进一步，所述石墨烯复合材料层厚度为1-5mm。优选地，所述石墨烯复合材料层厚度为1-3mm。石墨烯复合材料层的厚度选择1-5mm，特别是1-3mm可以保证石墨烯复合材料具有较好的厚度、强度，在电极使用过程中相应石墨烯复合材料层的稳定性良好，进而反复插拔的情况下结构稳定性，更加充分发挥相应的功效作用。进一步，所述石墨烯复合材料层中石墨烯的含量为6-8％，腐殖酸含量为2-3％，余量为黄铜。经过发明人研究验证发现石墨烯复合材料层中添加的石墨烯和腐殖酸用量在上述范围内效果最佳，复合材料的内聚力好，没有石墨烯团聚或剥落，整体结构强度优秀。进一步，所述电镀紫铜涂层厚度为5-10μm。进一步，所述石墨烯复合材料层是先将石墨烯复合材料熔炼好，然后复合到电极芯层表面。进一步，所述石墨烯复合材料通过以下方法进行熔炼：(1)先将石墨烯和腐殖酸混合，投入水中，搅拌混合均匀，干燥，得到石墨烯和腐殖酸混合料。(2)取黄铜原料，加热融化，氮气保护下，将步骤1所得石墨烯和腐殖酸混合料加入到融化的黄铜原料中，搅拌混合均匀，得到石墨烯复合材料。通过将石墨烯和腐殖酸进行预先混合，利用腐殖酸将石墨烯充分分散开来，然后将两者的混合料加入到融化的黄铜，在氮气保护下三者熔融混合均匀，得到所需石墨烯复合材料。腐殖酸，又称腐植酸、黑腐酸、胡敏酸，是一种自然界中广泛存在的大分子有机物质。腐殖酸是动植物遗骸经过微生物分解和转化，以及地球化学的一系列过程造成和积累起来的一类有机物质。腐殖酸大分子的基本结构是芳环、脂环，环上连有羧基、羟基、羰基、醌基、甲氧基等官能团。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：1、本发明的石墨烯电极采用多层复合结构，电镀紫铜具有良好的导电性能，但容易因为大电流、机械摩擦致使变形，所以电镀紫铜层厚度控制在较薄的范围，当电镀紫铜层变形以后暴露出石墨烯复合材料层，石墨烯起到良好的保护作用，一方面提供良好的导电性、导热性，另一方面石墨烯在电极结合表面形成新的保护层结构，配合腐殖酸一起可以吸收氧气，形成二氧化碳保护电极表面金属成分不氧化变质。2、本发明的石墨烯电极在电极芯层表面结合上石墨烯复合材料层可以满足电极长期反复摩擦、大电流导通状态下的稳定，不会出现普通电极材料使用一段时间后性能快速衰减的问题。3、本发明的石墨烯复合材料层采用腐殖酸和石墨烯预先混合，利用腐殖酸和石墨烯向近似的特点，实现特殊改性处理，腐殖酸一方面可以增强石墨烯的均匀分散特性，另一方面腐殖酸也使得石墨烯的平面层内电传导性能增强。附图说明：图1是本发明石墨烯电极材料的截面示意图。图中标记：1-电极芯层，2-石墨烯复合材料层，3-电镀紫铜涂层。具体实施方式为了更进一步的说明本发明的技术方案，下面结合具体的实施方式和实施过程对本发明技术方案进行说明解析，但不应当认为是对于本发明技术方案的限定，所有基于本发明发明思路的技术方案都应当认为是本发明所要求的保护范围。实施例1如图1所示石墨烯电极，包括电极芯层1，和包裹在电极芯层1表面的石墨烯复合材料层2，以及包裹在石墨烯复合材料层2表面的电镀紫铜涂层3。所述石墨烯复合材料层是包括重量份的以下成分制成：石墨烯8％、腐殖酸2％、余量为黄铜。所述电镀紫铜涂层厚度12μm。实施例2石墨烯电极，包括电极芯层1直径10mm和包裹在电极芯层1表面的石墨烯复合材料层2厚度2mm，以及包裹在石墨烯复合材料层2表面的电镀紫铜涂层3厚度12μm。电极芯层为圆柱形电芯，采用纯铜材质。所述石墨烯复合材料层是包括重量份的以下成分制成：石墨烯10％、腐殖酸2％、余量为黄铜。制备方法如下：(1)准备石墨烯10g原料，2g腐殖酸，投入50ml水中，采用强力搅拌20min，使得石墨烯和腐殖酸在水溶液中充分混合均匀。然后，在搅拌状态下，浓缩干燥料液，直至物料干燥得到粉末状产物。用球磨机将产物磨粉，备用。(2)取88g铜粉，加入上述石墨烯和腐殖酸混合粉末，搅拌混合均匀，在氮气保护下，加热至1050℃，融化，并保温20min，得到石墨烯复合材料。(3)取10mm直径的纯铜电芯，通过熔融挤出工艺在其表面附着厚度2mm的石墨烯复合材料层，冷却，然后通过电镀在表面电镀沉积厚度为10μm的紫铜层。实施例3石墨烯电极和实施例2的结构相同，并采用相同的方式方法进行加工制备三层结构电极。其中，电极芯层为直径15mm纯铜电芯，石墨烯复合材料层厚度3mm，电镀紫铜层厚度10μm。实施例4石墨烯电极，结构和实施例2相同，电极芯层为直径15mm纯铜电芯，石墨烯复合材料层厚度3mm，电镀紫铜层厚度8μm。石墨烯复合材料层同实施例2。实施例5石墨烯电极和实施例2的结构相同，其包括三层结构电极芯层为圆柱体实心结构的纯铜电芯，表面依次覆盖有石墨烯复合材料层和电镀紫铜层。其中，电极芯层为直径15mm纯铜电芯，石墨烯复合材料层(同实施例2)厚度3mm，电镀紫铜层厚度6μm。实施例6石墨烯电极和实施例2的结构相同，其包括三层结构电极芯层为圆柱体实心结构的纯铜电芯，表面依次覆盖有石墨烯复合材料层和电镀紫铜层。其中，电极芯层为直径15mm纯铜电芯，石墨烯复合材料层厚度3mm，电镀紫铜层厚度5μm。实施例7石墨烯电极和实施例2的结构相同，其包括三层结构电极芯层为圆柱体实心结构的纯铜电芯，表面依次覆盖有石墨烯复合材料层和电镀紫铜层。其中，电极芯层为直径15mm纯铜电芯，石墨烯复合材料层厚度3mm，电镀紫铜层厚度4μm。实施例8石墨烯电极和实施例2的结构相同，其包括三层结构电极芯层为圆柱体实心结构的纯铜电芯，表面依次覆盖有石墨烯复合材料层和电镀紫铜层。其中，电极芯层为直径15mm纯铜电芯，石墨烯复合材料层厚度3mm，电镀紫铜层厚度3μm。对比例1电极，包括直径为17mm的h96黄铜铜芯，和黄铜铜芯表面电镀厚度7μm的电镀紫铜层。对比例2电极，包括直径16mm的h96黄铜铜芯，在黄铜铜芯表面附图一层石墨烯，然后进行电镀处理，获得电镀紫铜层厚度为7μm的产品。由于石墨烯和黄铜铜芯表面的附着结合强度较低，出现部分石墨烯未结合情况，采用补充电镀的处理的方式，保持电极表面全部电镀上一层紫铜层，且紫铜层最小厚度应当≥7μm。测试将上述实施例和对比例制备的石墨烯电极和电极，采用黄铜电极插座端头制成与其形态相适配的插座端头，采用全自动机械手臂进行通电自动插拔测试，测试过程中，导电和插座之间通过电流密度为10a，插拔时间0.2s，插入以后保持5s，然后拔出，暂停10s，重新前述插拔动作。机械臂插拔力度20n。测试过程中，首次插入、以及插拔100次、500次的时候分别测试电极和插座端头连接部位之间的电阻数值，分析计算插拔所致电阻数值变化情况。表1插拔电阻变化(单位：微欧)首次插入100次500次实施例24.125.598.95实施例34.134.935.58实施例44.214.084.08实施例54.154.164.09实施例64.164.084.07实施例74.255.196.29实施例84.166.257.23对比例14.899.0525.6对比例24.576.9518.59通过上述测试可以知道本发明采用在石墨烯复合材料层表面电镀紫铜层的方案，可以有效的降低电极的接触电阻值，并保持电阻值变化更加稳定，基本不会因为大电流通过而发生较大的接触位置电阻值变化波动。当电镀紫铜层的厚度控制在3-12μm的范围内的情况下，电极的接触电阻整体较为稳定，特别是当电镀紫铜层厚度控制在5-8μm范围内的时候，经过上百次的插拔测试以后，电阻都没有任何升高的迹象。而其他厚度的电镀紫铜层出边或多或少的电阻值升高变化的缺陷。如果电阻紫铜涂层较厚，大电流软化以后，紫铜层软化变形，但石墨烯未能及时发挥保护作用，紫铜层被氧化，形成氧化层，导致后续电极电流导通性能劣化的趋势。而对比例1采用直接电镀的方案，缺少石墨烯的补充调整，反复使用多次以后，存在显著的电阻升高问题。对比例2虽然应用了一定的石墨烯材料作为补充，但是无法解决石墨烯的稳定排布和分散，不利于石墨烯复合材料层的功能发挥，而且插拔脱落使得电极性能不稳定，波动大。当前第1页12