CN104831109A - 一种铜基-Nb1-xTixSe2电接触复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铜基电接触复合材料技术领域，具体是涉及一种金属铜为基体，Nb_1-xTi_xSe₂为增强相的铜基电接触复合材料及其制备方法。该复合材料化学成分按质量百分比为：Nb_1-xTi_xSe₂：5%~10%,水雾化Cu粉：90%~95%，x=0~0.2。该制备方法包括：Nb_1-xTi_xSe₂的制备、铜粉与Nb_1-xTi_xSe₂混合、冷压烧结法烧结即制得铜基电接触复合材料。本发明合成电接触复合材料由基体、增强相组成；致密度高、高硬度、高抗弯强度、低电阻率和良好的耐磨性能、自润滑减摩性能，是一种具有良好发展前景的电接触材料。

Description

一种铜基-Nb1-xTixSe2电接触复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及铜基电接触复合材料技术领域，具体是涉及一种金属铜为基体，Nb_1-xTi_xSe₂为增强相的铜基电接触复合材料及其制备方法。

背景技术

电接触材料的功能是在电机和发电机组、仪器仪表的固定部件和旋转部件（如电刷、换向器或集电环）之间传导电流；载流条件下的摩擦，综合了材料的导电、耐磨、耐电弧烧蚀、化学稳定性以及硬度、强度和耐冲击性等一系列的整体体现；铜石墨复合材料中，基体铜具有良好强度、硬度、导电导热性以及耐蚀性，石墨则具有自润滑性、高熔点、抗熔焊性好和耐电弧烧蚀能力好等特点，这使得其在摩擦材料、含油轴承、电接触材料、导电材料和机械零件材料领域得到广泛应用，特别是用作受电弓滑板材料以及电刷材料。

Ag/Cu-MoS₂/石墨是常用的电接触复合材料，依靠Ag、Cu支持载荷、改善材料的导电、导热能力，石墨、MoS₂在摩擦过程中表面形成一层固体润滑膜，来提高材料的耐磨性，但在使用过程中存在以下问题：石墨的电阻率为4×10^-3Ω.cm，MoS₂为8×10²Ω.cm，但石墨只是在大气中和有水分存在的情况下才具有较低摩擦磨损，在真空和干燥的环境中，摩擦系数磨损严重，在电流作用下会氧化失效，而且不耐换向过程中产生的电弧；虽然MoS₂在干燥环境中和真空中具有很低的摩擦系数，但其导电性能差。石墨和Cu不互溶、密度相差大，使得传统的粉末冶金方法制备的复合材料混料不均匀，界面结合强度低，制约了其力学性能、导电性能、摩擦性能的提高。

开发新型电接触复合材料是另外的一种选择，过渡族金属硫硒化物MX₂(M=Mo、W、Nb、Ta、Ti、Zr；X=S、Se)具有和MoS₂同样的层状结构和摩擦学特性，此外硒化物还具有真空排气率低和电阻率低的特性，其中NbSe₂为电阻率最低固体润滑材料(3.5×10^-4Ω·cm)，比MoS₂低200万倍；80年代，美国NASA用Ag-NbSe₂复合材料卫星上的电刷，可以达到800A/cm²，具有非常好的效果，因而，NbSe₂等成为开发新型电接触材料作为固体润滑材料的优良选择。

发明内容

掺杂是在一种材料（基质）中掺入少量其他元素或化合物，以使材料性质和性能发生相应的改变，从而具有实际应用价值或特定用途的过程。针对现有技术中的不足，本发明运用NbSe₂进行Ti掺杂改性的手段，设计了一种具有高硬度、高抗弯强度、低电阻率和良好的耐磨性能的新型铜基电接触复合材料，通过第一性原理计算并且与纯NbSe₂以及Ti替代Nb的掺杂相比较，对前后超胞的能带图、态密度及分波态密度图的进行分析，发现间隙掺杂后费米能级附近能量区域的电子态密度明显增强，理论上可以认为，Ti的掺杂具有类似的金属导电性能，且优于纯NbSe₂；且目的在于采用粉末冶金制备技术，通过材料的各种成分组成的科学设计，发挥铜合金基体、增强相的匹配效应；本发明的另一目的是提供一种制备上述含增强相的Nb_1-xTi_xSe₂(X=0.01~0.1)新型电接触复合材料的方法。

技术方案

一种铜基-Nb_1-xTi_xSe₂电接触复合材料，由重量含量为90%~95%的铜粉，重量含量为5%~10%的Nb_1-xTi_xSe₂组成；x=0~0.2；优选x=0.1。

所述的Nb_1-xTi_xSe₂，由以下步骤制备出：

（1）按配比混合Nb粉、Se粉和Ti粉，Nb+Ti/Se摩尔比为1:2.3， x=0~0.2，以适量的无水乙醇为分散介质，在行星式球磨机中搅拌混合6h；然后静止放置，去除上层清液；在80℃的鼓风干燥箱中干燥，除去乙醇。然后将烘干后的粉末再放入球磨机中干混4h。

（2）样品烧结：将步骤（1）获得的样品在惰性气体手套箱装入反应釜，而后置于瓷舟中并放入管式炉中加热，以5℃/min的速率分别迅速加热到800℃，保温2小时后，自然冷却至室温，获得样品Nb_1-xTi_xSe₂。

一种铜基-Nb_1-xTi_xSe₂电接触复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）取铜粉和制备得到的Nb_1-xTi_xSe₂，x=0~0.2，在球磨机中搅拌混合1小时，转速200 r/min。

（2）对于步骤（1）获得的混合粉末采用冷压烧结法，初始压力为120MPa，保压时间为15min，在氩气气氛保护下750℃烧结保温2h，随炉冷却到室温，然后在200MPa压力下进行复压，保压时间为15min，然后再在750℃烧结保温1.5h，随炉冷却到室温，即制得铜基-Nb_1-xTi_xSe₂电接触复合材料。

（3）步骤（1）中铜粉的重量含量为90%~95%，Nb_1-xTi_xSe₂的重量含量为5%~10%。

 本发明原料易得、价格低廉，制备工艺简单易行、参数易控，生产过程安全环保，适合大规模工业生产；用本发明方法发明制备的铜基电接触复合材料比强度和比模量高，高抗弯强度、低电阻率和良好的耐磨性能，且导热性好，热膨胀系数小，是一种十分有应用前景的电接触复合材料。

附图说明

    图1为本发明铜基-Nb1-xTixSe2电接触复合材料合成工艺技术路线示意图。

表1为实施例1所制备各组样品的Nb、Se、Ti粉的含量。

表2为Cu、商用Cu-C和Cu-5%Nb_0.9Ti_0.1Se₂、Cu-7%Nb_0.9Ti_0.1Se₂和Cu-10%Nb_0.9Ti_0.1Se₂复合材料电阻率、抗弯强度和硬度对照表。

图2为Cu、商用Cu-C和Cu-10%Nb_0.9Ti_0.1Se₂复合材料在不同转速下的摩擦学性能。

图3为实施例4所制得样品的磨痕表面SEM图。

图4为实施例5所购得商用样品Cu-C复合材料的磨痕表面SEM图。

图5为实施例3所制得样品Cu-10%Nb0.9Ti0.1Se2的磨痕表面SEM图。

图6为实施例1(a)所制得样品Nb0.9Ti0.1Se2的SEM图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例1

(a) 制备Nb_1-xTi_xSe₂ （x=0,0.01,0.03,0.05,0.07,0.09,0.1,0.2,）Nb粉、Se粉和Ti粉的配比如表1，各配比样品分别混合在行星式球磨机中搅拌混合6小时；然后静止放置，去除上层清液；在80℃的鼓风干燥箱中干燥，除去乙醇，获得的样品在惰性气体手套箱装入反应釜。将反应釜置于瓷舟中并放入管式炉中加热，以5℃/min的速率分别迅速加热到800℃，保温2小时后，最后，自然冷却至室温，获得样品Nb_1-xTi_xSe₂纳米复合材料（表1：Sa1- Sa9）。

(b) 取重量百分比为95%的铜粉，和重量百分比为5%的Nb_0.9Ti_0.1Se₂粉末（Sa1- Sa9）分别将其在球磨机中混合1h，转速200 r/min；采用冷压烧结法，初始压力为120MPa，保压时间为15min，在氩气气氛保护下750℃烧结保温2h，随炉冷却到室温，然后在200MPa压力下进行复压，保压时间为15min，然后再在750℃烧结保温1.5h ，得到Cu-5% Nb_0.9Ti_0.1Se₂电接触复合材料。

实施例2

方法同实施例1，不同之处在于93%的铜粉，和7% 的Nb_0.9Ti_0.1Se₂，得到Cu-7% Nb_0.9Ti_0.1Se₂电接触复合材料。

实施例3

方法同实施例1，不同之处在于90%的铜粉，和10% 的Nb_0.9Ti_0.1Se₂，得到Cu-10% Nb_0.9Ti_0.1Se₂电接触复合材料。

总结：一定范围的Ti掺杂能使材料的电阻率降低，这与理论计算相一致，但也非掺杂量越多越好，电阻率在10at.%范围内可以减小材料的电阻率，超过这个范围电阻率不减小反而增大；而同等条件下合成的Ti的硒化物电阻率极高，会使材料导电性能变差；得出结论Ti掺杂量为10at.% (x=0.1)时，电阻率最低。

实施例4

方法同实施例1（b），取重量百分比为100%的铜粉，将其在球磨机中混合1h，转速200 r/min；采用冷压烧结法，初始压力为120MPa，保压时间均为15min，在氩气气氛保护下750℃烧结保温2h，随炉冷却到室温，然后在200MPa压力下进行复压，保压时间均为15min，然后再在750℃烧结保温1.5h，得到纯铜样品。

实施例5

市场购买商用的Cu-C电接触复合材料，用于测试。

实施例6

对实施例1~4制备的产品以及实施例5购买的Cu-C电接触材料的摩檫学性能试验（美国CETR公司开发研制UMT-2多功能摩擦试验机摩擦方式选择球-盘旋转模式，对磨小球为Φ4mm的440C不锈钢小球，硬度HRC62，实验温度为室温；湿度为55% -75%，载荷200g，转速为150r/min），添加Nb_1-xTi_xSe₂时添加量为wt.10%时摩擦效果较好，且Ti掺杂量为10at.%（Sa7）时Cu-10%Nb_0.9Ti_0.1Se₂复合材料摩擦学性能表现最好。

实施例7

方法同实施例6，不同之处在于不同转速下测试Cu、商用Cu-C、Cu-10%Nb_0.9Ti_0.1Se₂合材料摩擦学性能。

从磨痕图分析，图3为纯铜粉末压制并在与复合材料相同制备工艺条件下的磨痕图非常粗糙，严重的粘着磨损，基体被严重的拉伤，大面积的撕裂现象；图4为商用Cu基-C复合材料的磨痕图，磨损形式表现为正常的由对磨引起的犁沟现象，表面非常的平滑，粘着现象较轻，材料表面没有明显的孔洞与松散现象，润滑添加剂与基体结合较为紧密。材料摩擦表面形成了良好的润滑膜，磨痕较浅而光滑，存在少量粘着，且磨痕宽度明显变窄。其摩擦性能较纯铜表现更好；图5为Nb_0.9Ti_0.1Se₂含量为10wt.%的Cu-10%Nb_0.9Ti_0.1Se₂复合材料的磨痕图，磨痕很浅且光滑，磨痕更窄。与纯NbSe₂添加的铜基复合材料相比，Ti掺杂后会使磨痕浅而平整，磨损相对轻微；图6为Nb_0.9Ti_0.1Se₂的SEM形貌图，形貌分析可知该样品存在大量的纳米颗粒，表现出更优的摩擦学性能。

表1

                                                

表2

 

Claims (6)

1.一种铜基-Nb_1-xTi_xSe₂电接触复合材料，其特征在于：所述复合材料材料由重量含量为5%~10%的Nb_1-xTi_xSe₂和由重量含量为90%~95%水雾化Cu粉组成；x=0~0.2。

2.如权利要求1所述的一种铜基-Nb_1-xTi_xSe₂电接触复合材料，其特征在于：x=0.1。

3.如权利要求1所述的一种铜基-Nb_1-xTi_xSe₂电接触复合材料，其特征在于：所述复合材料材料由重量含量为10%的Nb_1-xTi_xSe₂和由重量含量为90%水雾化Cu粉组成。

4.如权利要求3所述的一种铜基-Nb_1-xTi_xSe₂电接触复合材料，其特征在于：所述复合材料材料由重量含量为10%的Nb_1-xTi_xSe₂和由重量含量为90%水雾化Cu粉组成，x=0.1。

5.如权利要求1所述的一种铜基-Nb_1-xTi_xSe₂电接触复合材料，其特征在于：所述的Nb_1-xTi_xSe₂，由以下步骤制备出：

（1）按配比混合Nb粉、Se粉和Ti粉，Nb+Ti/Se摩尔比为1:2.3， x=0~0.2，以无水乙醇为分散介质，在行星式球磨机中搅拌混合6h；然后静止放置，去除上层清液；在80℃的鼓风干燥箱中干燥，除去乙醇；然后将烘干后的粉末再放入球磨机中干混4h；

（2）样品烧结：将步骤（1）获得的样品在惰性气体手套箱装入反应釜，而后置于瓷舟中并放入管式炉中加热，以5℃/min的速率分别迅速加热到800℃，保温2小时后，自然冷却至室温，获得样品Nb_1-xTi_xSe₂。

6.如权利要求1所述的一种铜基-Nb_1-xTi_xSe₂电接触复合材料的制备方法，其特征在于：

（1）取铜粉和制备得到的Nb_1-xTi_xSe₂，x=0~0.2，在球磨机中搅拌混合1小时，转速200 r/min；

（2）对于步骤（1）获得的混合粉末采用冷压烧结法，初始压力为120MPa，保压时间为15min，在氩气气氛保护下750℃烧结保温2h，随炉冷却到室温，然后在200MPa压力下进行复压，保压时间为15min，然后再在750℃烧结保温1.5h，随炉冷却到室温，即制得铜基-Nb_1-xTi_xSe₂电接触复合材料。