CN104741602B - 一种包括金属和金属氧化物的电触头材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括金属和金属氧化物的电触头材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：（a）配制金属氧化物前驱体的溶液;（b）浸渍金属微粉：将金属微粉加入到所述金属氧化物前驱体的溶液中，混合均匀，待反应0.5至24小时后，过滤、干燥得到由所述金属氧化物前驱体所包覆的金属微粉;（c）热处理：将步骤（b）所得的金属微粉在非还原性气氛下于150～900℃焙烧1至10小时，从而制备得到包括金属和金属氧化物的电触头材料。本发明还涉及一种利用该制备方法所制成的包括金属和金属氧化物的电触头材料。

Description

一种包括金属和金属氧化物的电触头材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种电触头材料及其制备方法，特别涉及一种包括金属和金属氧化物的电触头材料及其制备方法。

背景技术

金属基电触头材料（比如银基、铜基）是目前应用最为广泛的电接触材料。为了提高其综合性能、降低成本，在其中复合添加不同类型氧化物、碳化物是最为常见的方法。

目前制备包括金属和金属氧化物的复合触头材料的方法主要有合金内氧化法和粉末冶金法。粉末冶金法包括混粉法、共沉积法和超声化学包覆法。

混粉法是将金属和金属氧化物的粉末混合，压制成型然后进行烧结。该工艺虽能在较大范围内调整材料的成份，使得材料成分及质量较其它方法易于控制，保证了产品性能的一致性，可制备出组织较均匀、体积较大、性能较稳定的触头材料，但材料密度较低，氧化物颗粒与基体的界面润湿性差、界面结合强度弱，耐电弧腐蚀性较差。

共沉积法是先选择共沉淀剂如Na2CO3或（NH4）2C2O4等，加入到含有银离子和金属阳离子的盐溶液中，使溶液中的金属离子以盐的形式形成沉淀，析出之后得到该沉淀，洗涤、焙烧或通过还原处理制得分散均匀的混合粉末，然后压制成形，烧结可得所需的电触头材料。这种方法制备的银金属氧化物触头材料中第二相弥散分布均匀，电性能良好，但也有其缺点，如制粉工艺复杂，每批粉末质量的稳定性不容易控制，这主要是涉及湿法化学反应过程的原因导致的。

超声化学包覆法主要是用湿法化学法制备银粉包覆导电金属氧化物复合粉末，这主要在超声条件下进行，然后通过粉末冶金的具体工艺制得银金属氧化物触头材料。采用这种方法时引入了超声能量，而超声空化作用大大增强了包覆银金属层与金属氧化物粉末的结合强度，而且超声波的作用使金属氧化物粉末更加均匀分布地在反应悬浮液中，从而实现每个金属氧化物颗粒被金属银的沉淀所包覆，如果变多相烧结为单相烧结的话，可以达到降低烧结温度、改善烧结效果的目的。

合金内氧化工艺也是目前应用比较广泛的一种制备电触头材料的方法。具体的工艺是先于真空或惰性气体中熔炼银金属合金，再在含氧气氛中加热银金属合金，使金属转变金属氧化物。通过合金内氧化法制备的银金属氧化物材料密度高、致密性好、氧化物质点细小、耐电弧腐蚀、电寿命长，且适合于大批量生产，但产品表面和内部结构不均匀，触头尺寸不宜太厚，而中间有贫氧化物层，导致其组织均匀性差。

随着电器工业的发展，对金属基氧化物电触点材料提出更苛刻、更全面的要求。通过对国内外电触头材料的应用现状和制备工艺了调研分析了解，添加相的颗粒尺寸、分散情况对电接触材料的最终性能起到至关重要的影响。

总体来说，在现有技术中：

（1）粉末冶金法的特点是能在较大范围内调整合金的成分，可制备组织均匀、体积较大的触头，但是由于合金密度的限制，触头电寿命较差。

（2）合金内氧化法的特点是合金密度高、触头电磨损小、寿命长、便于大批量生产，但缺点也很明显，即产品尺寸不宜太厚，组织容易出现不均匀性，存在氧化物贫富区的缺点，对材料的电气性能不利。

发明内容

出于解决现有技术中的上述缺陷，本发明提出一种均匀混粉的方法、从而实现金属氧化物在金属基体中的均匀分散。

本发明是以浸渍法制备包括金属和金属氧化物的复合触头材料，具体是将金属微粉浸入到金属氧化物前驱体的溶胶中，反应一段时间后得到由金属氧化物前驱体所包覆的金属微粉，再进行热处理制备得到金属-金属氧化物复合粉体材料。

本发明具体包括以下步骤：

一种包括金属和金属氧化物的电触头材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

（a）配制金属氧化物前驱体的溶液;

（b）浸渍金属微粉：将粉末冶金的金属微粉加入到所述金属氧化物前驱体的溶液中，混合均匀，待反应0.5至24小时后，过滤、干燥得到由所述金属氧化物前驱体所包覆的金属微粉;

（c）热处理：将步骤（b）所得的金属微粉在非还原性气氛下于150～900℃焙烧1至10小时，从而制备得到包括金属和金属氧化物的电触头材料。

所述金属微粉可以是银、铜或镍。本领域技术人员也可以选用其它适当的金属微粉。

所述金属氧化物包括SnO₂、ZnO、CuO、In₂O₃、Ni₂O、WO₃、MoO₃中的一种或几种。

所述非还原性气氛包括惰性气氛或氧化气氛。所述惰性气氛包含氮气和稀有气体。

所述稀有气体为氩气、氦气、氖气中的一种或几种。

所述电触头材料中的金属的质量百分数为82%至99.9%。

所述金属氧化物前驱体的溶液为醋酸盐溶胶、氢氧化物溶胶等中的一种或几种。另外，所述金属氧化物前驱体的溶液还可以为醋酸盐凝胶、氢氧化物凝胶等中的一种或几种。

本领域技术人员可根据不同的金属氧化物，选择适当的焙烧温度和焙烧时间。

本方法可通过工艺调控得到尺寸均一的纳米级金属氧化物均匀包覆的金属微粉，实现了金属微粉与金属氧化物粉体的充分均匀混合，为触点材料的制备提供了一种成本较低，制备工艺较简单、基体相与增强添加相能均匀混合的新方法。

本方法解决了目前常用的机械混粉的混合均匀性问题，其中的复合工艺减少了粉末冶金过程中的杂质含量，同时也避免了由合金内氧化法所制得的电触头存在氧化物贫富区的缺点，提高了纳米氧化物分布的弥散程度，改善了电触头质量。

在本发明中可以实现：

（1）以金属氧化物前驱体溶液热处理所得到的金属氧化物易于通过工艺参数调控来得到尺寸均一的纳米级金属氧化物；

（2）将金属微粉浸渍在金属氧化物前驱体溶液中，金属氧化物前驱体溶液在搅拌或超声分散的条件下会均匀包覆在金属微粉的表面，后经热处理工艺，易于得到金属氧化物均匀包覆的金属微粉，实现了金属微粉与金属氧化物的充分均匀混合；

（3）成本较低，制备工艺较简单。

本发明还涉及一种利用该制备方法所制成的包括金属和金属氧化物的电触头材料。

该电触头材料包括金属微粉，通过将该金属微粉加入到配制好的金属氧化物前驱体的溶液中，混合均匀，待反应0.5至24小时后，过滤、干燥得到由所述金属氧化物前驱体所包覆的金属微粉;将由所述金属氧化物前驱体所包覆的金属微粉在非还原性气氛下于150～900℃焙烧1至10小时，从而该电触头材料包括金属和金属氧化物。

所述金属微粉是银、铜或镍。

所述金属氧化物包括SnO₂、ZnO、CuO、In₂O₃、Ni₂O、WO₃、MoO₃中的一种或几种。

所述非还原性气氛包括惰性气氛或氧化气氛。

所述电触头材料中的金属的质量百分数为82%至99.9%。

所述金属氧化物前驱体的溶液为醋酸盐溶胶、氢氧化物溶胶中的一种或几种。

所述金属氧化物前驱体的溶液为醋酸盐凝胶、氢氧化物凝胶中的一种或几种。

所述惰性气氛包含氮气和稀有气体。

所述稀有气体为氩气、氦气、氖气中的一种或几种。

本领域技术人员可根据不同的金属氧化物，选择适当的焙烧温度和焙烧时间。

根据本发明可得到尺寸均一的纳米级金属氧化物均匀包覆的金属微粉，实现了金属微粉与金属氧化物粉体的充分均匀混合，本发明提供了一种成本较低，制备工艺较简单、基体相与增强添加相能均匀混合的电触头材料。

根据本发明的触点材料解决了目前常用的机械混粉的混合均匀性问题，其中的复合工艺减少了粉末冶金过程中的杂质含量，同时也避免了由合金内氧化法所制得的电触头存在氧化物贫富区的缺点，提高了纳米氧化物分布的弥散程度，改善了电触头质量。

根据本发明的电触头材料包括以下优势：

（1）以金属氧化物前驱体溶液热处理所得到的金属氧化物易于通过工艺参数调控来得到尺寸均一的纳米级金属氧化物；

（2）将金属微粉浸渍在金属氧化物前驱体溶液中，金属氧化物前驱体溶液在搅拌或超声分散的条件下会均匀包覆在金属微粉的表面，后经热处理工艺，易于得到金属氧化物均匀包覆的金属微粉，实现了金属微粉与金属氧化物的充分均匀混合；

（3）成本较低，制备工艺较简单。

附图说明

通过下面的附图本领域技术人员将对本发明有更好的理解，并且更能清楚地体现出本发明的优点。这里描述的附图仅为了所选实施例的说明目的，而不是全部可能的实施方式并且旨在不限定本发明的范围。

图1(a),(b)示出根据本发明的第一实施例的银/二氧化锡复合体系的SEM/TEM照片；

图2(a),(b)示出根据本发明的第二实施例的银/氧化铜复合体系的SEM/TEM照片；

图3(a),(b)示出根据本发明的第三实施例的银/氧化锌复合体系的SEM/TEM照片。

具体实施方式

以下将结合附图对根据本发明的优选实施例进行详细说明。通过附图以及相应的文字说明，本领域技术人员将会理解本发明的特点和优势。

在总体上，本发明具体包括以下步骤：

一种包括金属和金属氧化物的电触头材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

（a）配制金属氧化物前驱体的溶液;

（b）浸渍金属微粉：将粉末冶金的金属微粉加入到所述金属氧化物前驱体的溶液中，通过如搅拌或超声震荡等方式混合均匀，待反应0.5至24小时后，过滤、干燥得到由所述金属氧化物前驱体所包覆的金属微粉;

（c）热处理：将步骤（b）所得的金属微粉在非还原性气氛下于150～900℃焙烧1至10小时，从而制备得到包括金属和金属氧化物的电触头材料。

所述金属微粉可以是银、铜或镍。本领域技术人员也可以选用其它适当的金属微粉。

所述金属氧化物包括SnO₂、ZnO、CuO、In₂O₃、Ni₂O、WO₃、MoO₃中的一种或几种。

所述非还原性气氛包括惰性气氛或氧化气氛。所述惰性气氛包含氮气和稀有气体。

所述稀有气体为氩气、氦气、氖气中的一种或几种。

所述电触头材料中的金属的质量百分数为82%至99.9%。

所述金属氧化物前驱体的溶液为醋酸盐溶胶、氢氧化物溶胶等中的一种或几种。另外，所述金属氧化物前驱体的溶液还可以为醋酸盐凝胶、氢氧化物凝胶等中的一种或几种。

本发明还涉及一种利用该制备方法所制成的包括金属和金属氧化物的电触头材料。

以下以3个非限定性的具体实施例对该制备方法和该电触头材料进行示例说明：

图1示出根据本发明的第一实施例的银/二氧化锡复合体系的SEM（扫描式电子显微镜）/TEM（透射电镜）照片。

实施例1

（1）配制SnO₂前驱体的溶液：在0.3g/ml的SnCl₄溶液中滴加25%体积分数的氨水直至形成Sn(OH)₄胶体，通过搅拌和放置使其凝胶化；

（2）浸渍金属微粉：将一定量的银粉加入Sn(OH)₄胶体中，搅拌均匀，待反应0.5小时后，过滤、干燥得到由Sn(OH)₄所包覆的银粉；

（3）热处理：将步骤（2）得到的银粉在氮气气体下于900℃煅烧1小时，制备得到Ag-SnO₂电触头材料。

经过ICP-AES分析表明：Sn的含量是1.142%(重量百分比)；经过XRD物相分析可以确定SnO₂的存在；经过SEM/TEM分析表明：银粉颗粒团聚，其中一些银粉颗粒表面已经形成了一层均匀透明的膜层。

图2示出根据本发明的第二实施例的银/氧化铜复合体系的SEM/TEM照片。

实施例2

（1）配制CuO前驱体的溶液：在0.05g/ml的Cu(AC)₂溶液滴加入热水中，形成溶胶；

（2）浸渍金属微粉：将一定量的银粉加入Cu(AC)₂胶体中，超声振荡均匀，待反应1小时后，过滤、干燥得到由Cu(AC)₂包覆的银粉；

（3）热处理：将步骤（2）得到的银粉在氩气气体下于350℃煅烧5小时，制备得到Ag-CuO电触头材料。

经过ICP-AES分析表明：Cu的含量是0.2483%(重量百分比)；经过XRD物相分析无法确定CuO的存在；经过SEM/TEM分析表明：银粉颗粒表面有固体物质包裹，并通过其粘连。一些颗粒吸附在银粉颗粒表面上，厚度不均。

图3示出根据本发明的第三实施例的银/氧化锌复合体系的SEM/TEM照片。

实施例3

（1）配制ZnO前驱体的溶液：在0.13g/ml的Zn(AC)₂溶液中滴加入热水中，形成溶胶；

（2）浸渍金属微粉：将一定量的银粉加入Zn(AC)₂胶体中，搅拌均匀，待反应24小时后，过滤、干燥得到由Zn(AC)₂包覆的银粉；

（3）热处理：将步骤（2）得到的银粉在氮气气氛下于600℃煅烧2小时，制备得到Ag-ZnO电触头材料。

经过ICP-AES分析表明：Zn的含量是1.1946%(重量百分比)；经过XRD物相分析无法确定ZnO的存在；经过SEM/TEM分析表明：银粉颗粒团聚，包覆现象不明显，其中一些银粉颗粒表面存在块状膜层。

本领域技术人员可根据不同的金属氧化物，选择适当的焙烧温度和焙烧时间。

本发明的方法和材料可通过工艺调控得到尺寸均一的纳米级金属氧化物均匀包覆的金属微粉，实现了金属微粉与金属氧化物的充分均匀混合，为触点材料的制备提供了一种成本较低，制备工艺较简单、基体相与增强添加相能均匀混合的新方法。

本发明的方法和材料解决了目前常用的机械混粉的混合均匀性问题，其中的复合工艺减少了粉末冶金过程中的杂质含量，同时也避免了由合金内氧化法所制得的电触头存在氧化物贫富区的缺点，提高了纳米氧化物分布的弥散程度，改善了电触头质量。

在本发明中可以实现：

（1）以金属氧化物前驱体溶液热处理所得到的金属氧化物易于通过工艺参数调控来得到尺寸均一的纳米级金属氧化物；

（2）将金属微粉浸渍在金属氧化物前驱体溶液中，金属氧化物前驱体溶液在搅拌或超声分散的条件下会均匀包覆在金属微粉的表面，后经热处理工艺，易于得到金属氧化物均匀包覆的金属微粉，实现了金属微粉与金属氧化物的充分均匀混合；

（3）成本较低，制备工艺较简单。

参考具体实施例，尽管本发明已经在说明书和附图中进行了说明，但应当理解，在不脱离权利要求中所限定的本发明范围的情况下，所属技术领域人员可作出多种改变以及多种等同物可替代其中多种元素。而且，本文中具体实施例之间的技术特征、元素和/或功能的组合和搭配是清楚明晰的，因此根据这些所公开的内容，所属技术领域人员能够领会到实施例中的技术特征、元素和/或功能可以视情况被结合到另一个具体实施例中，除非上述内容有另外的描述。此外，根据本发明的教导，在不脱离本发明本质的范围，适应特殊的情形或材料可以作出许多改变。因此，本发明并不限于附图所图解的个别的具体实施例，以及说明书中所描述的作为目前为实施本发明所设想的最佳实施方式的具体实施例，而本发明意旨包括落入上述说明书和所附的权利要求范围内的所有的实施方式。

Claims (18)

1.一种包括金属和金属氧化物的电触头材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

(a)配制金属氧化物前驱体的溶液；

(b)浸渍金属微粉：将金属微粉加入到所述金属氧化物前驱体的溶液中，混合均匀，待反应0.5至24小时后，过滤、干燥得到由所述金属氧化物前驱体所包覆的金属微粉；

(c)热处理：将步骤(b)所得的金属微粉在非还原性气氛下于150～900℃焙烧1至10小时，从而制备得到包括金属和金属氧化物的电触头材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属微粉是银、铜或镍。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物包括SnO₂、ZnO、CuO、In₂O₃、Ni₂O、WO₃、MoO₃中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述非还原性气氛包括惰性气氛或氧化气氛。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电触头材料中的金属的质量百分数为82％至99.9％。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物前驱体的溶液为醋酸盐溶胶、氢氧化物溶胶中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物前驱体的溶液为醋酸盐凝胶、氢氧化物凝胶中的一种或几种。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述惰性气氛包含氮气和稀有气体。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述稀有气体为氩气、氦气、氖气中的一种或几种。

10.一种电触头材料，其包括金属微粉，通过将该金属微粉加入到配制好的金属氧化物前驱体的溶液中，混合均匀，待反应0.5至24小时后，过滤、干燥得到由所述金属氧化物前驱体所包覆的金属微粉；

将由所述金属氧化物前驱体所包覆的金属微粉在非还原性气氛下于150～900℃焙烧1至10小时，从而该电触头材料包括金属和金属氧化物。

11.根据权利要求10所述的电触头材料，所述金属微粉是银、铜或镍。

12.根据权利要求10所述的电触头材料，所述金属氧化物包括SnO₂、ZnO、CuO、In₂O₃、Ni₂O、WO₃、MoO₃中的一种或几种。

13.根据权利要求10所述的电触头材料，所述非还原性气氛包括惰性气氛或氧化气氛。

14.根据权利要求10所述的电触头材料，所述电触头材料中的金属的质量百分数为82％至99.9％。

15.根据权利要求10所述的电触头材料，所述金属氧化物前驱体的溶液为醋酸盐溶胶、氢氧化物溶胶中的一种或几种。

16.根据权利要求10所述的电触头材料，所述金属氧化物前驱体的溶液为醋酸盐凝胶、氢氧化物凝胶中的一种或几种。

17.根据权利要求13所述的电触头材料，所述惰性气氛包含氮气和稀有气体。

18.根据权利要求17所述的电触头材料，所述稀有气体为氩气、氦气、氖气中的一种或几种。