CN102385938B - 一种金属基石墨烯复合电接触材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种金属基石墨烯复合电接触材料及其制备方法，属于功能材料技术领域。所述金属基石墨烯复合电接触材料，包含0.02-10wt％的石墨烯，其余为金属基体材料；其中石墨烯均匀分散在所述金属基体材料中。制备时，首先在基体金属的盐溶液中加入石墨烯，采用水合肼还原法在石墨烯表面沉积少量的基体金属；然后将表面沉积了基体金属的石墨烯分离、烘干后与基体金属粉末混合均匀；最后采用真空熔炼法对所述混合物进行真空熔炼，得到金属基石墨烯复合电接触材料。本发明提供的金属基石墨烯复合电接触材料，由于石墨烯增强相的加入，使得该复合电接触材料具有比其他增强相复合电接触材料更有优越的导电、导热性能和更高的硬度和耐磨性，稳定性更高，抗熔焊能力更强。

Description

一种金属基石墨烯复合电接触材料的制备方法

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，涉及电接触材料，尤其是一种金属基石墨烯复合电接触材料及其制备方法。 

背景技术

电触头亦称触点、接点或触头，是电器开关、仪器仪表等中的接触部件，担负着接通、承载与分断电流的任务，因此，它的性能直接影响着开关电器及仪器仪表运行的可靠性。电接触过程是一个复杂的物理过程，它往往要求电接触材料有高电导、低接触电阻、高热导、高耐磨、耐腐蚀、抗冲击等特性。电接触材料已有近100年的历史，最初使用纯银、纯金、纯铂作触头材料，20世界40年代开始采用Ag-Cu、Au-Ag、Pt-Ir或Pd-Ag等合金，60年代以来发展了多元贵金属和各种贵金属复合材料。 

石墨烯是一种由碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的碳质新材料(其厚度通常在10纳米以内)。2004年Geim等用微机械剥离的方法成功地从石墨中剥离出单层碳原子，这种单独存在的二维有序碳被科学家们称为石墨烯，由于其独特的晶体结构特征，吸引了科学家们的广泛关注。 

目前，一些具有高硬度、耐磨、导热性好、耐高温和耐各种介质腐蚀的材料为增强相物质与金属基体材料进行复合的复合电接触材料，由于同时具备优良的力学性质和电学性质，已成为电接触材料的主要发展方向。其中增强相物质主要有La₂O₃、MoS₂、A1₂O₃、石墨、金刚石等。但是，这些增强相物质通常导电性都很差，使得电接触材料的导电性变差，这对电接触材料的性能有很大的影响。如银基金刚石复合材料，虽然其硬度和耐磨性随金刚石的含量的增加有很大提高，但其接触电阻也明显增大。此外，目前应用最多的CdO增强材料，由于其存在严重的环境污染问题，而严重的制约了它的使用，一些欧洲国家已经立法禁止使用CdO于电子材料中。因此，探索新的增强相物质一直是人们关注的研究领域。 

发明内容

本发明提供一种金属基石墨烯电接触材料，采用电学性能和机械性能都非常优异的石墨烯材料作为增强相物质，代替传统增强相物质CdO、SnO₂、MoS₂、WC、SiC、La₂O₃、石墨或金刚石粉等，一方面可以保持基体金属优良的导电性，提高复合材料的耐磨性，另一方面可以减少镉污染，同时有望通过石墨烯的突出特性，赋予电接触材料一些额外的优势。本发 明同时提供该金属基石墨烯电接触材料的制备方法，该方法操作简单、工艺易控，能够获得分散均匀的金属基石墨烯电接触材料。 

本发明技术方案如下： 

一种金属基石墨烯复合电接触材料，包含0.02-10wt％的石墨烯，其余为金属基体材料；所述石墨烯均匀分散在所述金属基体材料中。所述石墨烯厚度为0.3-5nm、直径为10nm-10μm。所述金属基体材料可以是Au、Ag、Cu或Au、Ag、Cu三者之间的二元或三元合金，也可以是Au、Ag、Cu或Au、Ag、Cu三者之间的二元或三元合金与Sn、Ni或Pt之间的多元合金。 

石墨烯是碳原子按正六边形整齐排列的晶体，结构非常稳定，具有完美的晶体结构。由于石墨烯中的碳原子是属于sp²杂化，因此石墨烯具有非同寻常的导电性和十倍于钢铁的机械强度。此外，石墨烯是目前世界上最薄的材料(厚度通常在10纳米以下)，而且高度稳定。作为导热材料，石墨烯是目前世界上导热性最好的材料。由此看来，用石墨烯作为改性添加物来制备镀层，可使镀层的机械强度、耐磨性及电导性都会有所提高。本发明以石墨烯为增强相，常用电接触金属材料为金属基体，制成了金属基石墨烯复合电接触材料。 

一种金属基石墨烯复合电接触材料的制备方法，首先在基体金属的盐溶液中加入厚度为0.3-5nm、直径为10nm-10μm的石墨烯，采用水合肼还原法在石墨烯表面沉积少量的基体金属；然后将表面沉积了基体金属的石墨烯分离、烘干后与基体金属粉末混合均匀，控制混合物中石墨烯的含量为0.02-10wt％；最后采用真空熔炼法对所述混合物进行真空熔炼，得到金属基石墨烯复合电接触材料。 

本发明提供的金属基石墨烯复合电接触材料，由于石墨烯增强相的加入，使得该复合电接触材料能够满足电接触的应用要求。具体而言，本发明提供的金属基石墨烯复合电接触材料具有以下优点：(1)由于石墨烯具其有优良的导电性，使金属基石墨烯复合电接触材料具有比其他增强相复合电接触材料更有优越的导电性。(2)由于石墨烯具有优良的热导率，是目前热导率最好的材料，因此石墨烯的加入，可以进一步提高复合电接触材料的导热能力。(3)由于石墨烯硬度高、耐磨，并且有良好的韧性，这赋予了金属基石墨烯复合电接触材料高硬度和高的耐磨性。(4)由于石墨烯稳定性好，复合后也不存在电介质腐蚀的问题。(5)由于石墨烯电导率、热导率都非常高，而且硬度也非常高，这理论上可以赋予复合电接触材料良好的抗熔焊能力。 

具体实施方式

实施例1 

复合电接触材料：石墨烯0.02％，余量为银。 

具体制备步骤为： 

1.配制2％的硝酸银溶液(A溶液)； 

2.在有20mLA溶液的烧杯中，加入0.4g平均直径为50nm的石墨烯，并超声分散均匀； 

3.向上述溶液中滴加2％水合肼溶液1mL，磁力搅拌30min； 

4.采用离心和水洗3次，烘干备用； 

5.称取0.008g上述烘干后的固体粉末，与20g银粉球磨混合2h； 

6.用真空熔炼法进行真空熔炼。即得石墨烯复合电接触材料。 

所得材料性质： 

外观：银白色金属光泽，表面平整均匀。用扫描电镜观察微观结构，石墨烯均匀的分散在基体金属中，并与基体金属有良好的界面接触。 

材料性能：复合材料有极好的延展性，容易加工成型。通过电学实验测定，复合材料导电性良好，电导率为45.2MS/m。通过热学实验测定，其热导率很好。通过耐磨性实验测定，复合材料的耐磨性比纯金属有一定提高。用该材料加工制成的电触头，在快速试验开关实验中，在较少的分断次数内产生较大烧损，但比用纯金属银制成的电触头的烧损情况有一定的改善。 

实施例2 

复合电接触材料：石墨烯3％，余量为银。 

具体制备步骤为例1中步骤5中称取的固体粉末由0.008g增加到1.2g，其他步骤与例1相同。 

所得材料性质： 

外观：银白色金属光泽，稍暗，表面平整均匀。用扫描电镜观察微观结构，石墨烯均匀的分散在基体金属中，并与基体金属有良好的界面接触。 

材料性能：复合材料有很好的延展性，容易加工成型。通过电学实验测定，复合材料导电性良好，电导率为38.2MS/m。通过热学实验测定，其热导率很好。通过耐磨性实验测定，复合材料的耐磨性比纯金属有很大提高，提高率达32％。用该材料加工制成的电触头，在快 速试验开关实验中，在加大电压和电流的情况下，在较少的分断次数内产生较大烧损，但比用纯金属银制成的电触头的烧损情况有明显的提高。 

实施例3 

复合电接触材料：石墨烯2％，余量为铜。 

具体制备步骤为把例1中步骤1的硝酸银换成硫酸铜，步骤3中的水合肼溶液由1mL增加到2m，步骤6中的银粉换成铜粉。其他步骤与例1相同。 

所得材料性质： 

外观：黄色金属光泽，表面平整均匀。用扫描电镜观察微观结构，石墨烯均匀的分散在基体金属中，并与基体金属有良好的界面接触。 

材料性能：复合材料有很好的延展性，容易加工成型。通过电学实验测定，复合材料导电性良好，电导率为36.2MS/m。通过热学实验测定，其热导率很好。通过耐磨性实验测定，复合材料的耐磨性比纯金属有很大提高，提高率达30％。用该材料加工制成的电触头，在快速试验开关实验中，在加大电压和电流的情况下，在较少的分断次数内产生较大烧损，但比用纯金属铜制成的电触头的烧损情况有明显的提高。 

Claims (3)

1.一种金属基石墨烯复合电接触材料的制备方法，首先在基体金属的盐溶液中加入厚度为0.3-5nm、直径为10nm-10μm的石墨烯，采用水合肼还原法在石墨烯表面沉积少量的基体金属；然后将表面沉积了基体金属的石墨烯分离、烘干后与基体金属粉末混合均匀，控制混合物中石墨烯的含量为0.02-10wt%；最后采用真空熔炼法对所述混合物进行真空熔炼，得到金属基石墨烯复合电接触材料。

2.根据权利要求1所述的金属基石墨烯复合电接触材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯厚度为0.3-5nm、直径为10nm-10μm。

3.根据权利要求1所述的金属基石墨烯复合电接触材料的制备方法，其特征在于，所述基体金属材料为Au、Ag、Cu或Au、Ag、Cu三者之间的二元或三元合金。