CN105185608A - 一种铜覆银石墨烯复合铆钉触头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铜覆银石墨烯复合铆钉触头及其制备方法，所述铆钉触头包括主体，所述主体的头部和/或尾部设有银石墨烯复合层。本发明采用银石墨烯作为铆钉头部或尾部覆层材料，制备出导电性能好、硬度高、电寿命高的复合铆钉触头。同时，该方法简单，工艺可控性好，成本低，易实现规模化生产，所述铆钉触头材料组织均匀，性能稳定。

Description

一种铜覆银石墨烯复合铆钉触头及其制备方法

技术领域

本发明属于电气器件领域，具体地说，是一种铜覆银石墨烯复合铆钉触头及其制备方法，比如铜覆银石墨烯双复合铆钉触头(AgGR/Cu)，三复合铆钉触头(AgGR/Cu/AgGR)。

背景技术

在低压电器中，银基复合材料是目前使用最广泛的电接触材料。为了节约银资源，同时降低企业成本，部分企业开始使用双复合铆钉触头与三复合铆钉触头。但是由于银及其合金本身性能的限制，铜覆银铆钉触头还存在很多不足。目前主要采用的覆层材料为银镍、银/氧化锡等，合金元素镍或增强体氧化锡的加入使银基材料导电性能下降，同时，银基覆层的厚度与铆钉的电寿命性能密切相关。

石墨烯是目前发现的唯一存在的一种由碳原子致密堆积而成的二维蜂窝状晶格结构的环保型碳质新材料，其厚度通常在10纳米以内，具有超大比表面积2630m²/g，是目前已知强度最高的材料达130GPa，其载流迁移率高达150,000cm²/Vs。若将石墨烯的优异性能引入到银基复合材料中，将为银基复合材料的设计和性能提升带来巨大影响，将银石墨烯(AgGR)应用在复合铆钉中也将改善铆钉的导电性能及其可靠性。

公开号为CN202585146U的中国实用新型专利，提供了一种铆钉复合触头，由基体和复合层组成，所述复合层位于基体的顶端。该专利中复合层为金属铂或铂合金制成，虽然复合铆钉的综合性能有所改善，但其生产成本明显提高，阻碍了工业化应用。

公开号为CN101226836A的中国发明专利，提供了一种铜覆银及银合金三复合铆钉触头的制备方法。该发明运用三复合法制备出AgSnO₂/Cu/AgSnO₂三复合铆钉触头、AgCdO₁₀/Cu/AgCdO₁₀三复合铆钉触头、Ag/Cu/Ag三复合铆钉触头。三复合铆钉触头不仅提高了铆钉的综合性能，也降低了生产成本，但是该发明中复合层为AgCdO₁₀，镉元素对人体或环境都会造成较大的上伤害。寻找一种新的环保覆层材料成为亟待解决的问题。

因此，一种环保、低成本、高性能的复合铆钉触头不仅具有重要的科研价值，而且具有广泛的市场应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种铜覆银石墨烯复合铆钉触头及其制备方法，采用银石墨烯作为新型覆层材料，由该方法制得的铆钉触头具有优异的导电性能与更高的电寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种铜覆银石墨烯复合铆钉触头，所述铆钉触头包括主体，所述主体的头部和/或尾部设有银石墨烯复合层。

优选地，所述头部的上表面设有银石墨烯复合层。

优选地，所述尾部的下表面设有银石墨烯复合层。

优选地，所述铆钉触头的主体为铜制成。

优选地，所述银石墨烯复合层与所述主体通过铆钉机加工复合成型。

优选地，所述银石墨烯复合层，厚度为0.05-1mm。

具体的，当所述铜覆银石墨烯复合铆钉触头为双层复合铆钉触头时，所述头部的上表面(头部的下表面与主体接触)设有银石墨烯复合层，主体为铜制成。

具体的，当所述铜覆银石墨烯复合铆钉触头为三层复合铆钉触头时，所述头部的上表面和/或尾部的下表面(尾部的上表面与主体接触)均设有银石墨烯复合层，所述主体位于尾部和头部之间，所述主体为铜制成。铆钉触头的复合银石墨烯可以提高触头电导率，同时获得更高的电寿命。

本发明采用银石墨烯作为铆钉头部或尾部覆层材料，制备出导电性能好、硬度高、电寿命高的复合铆钉触头。同时，该方法简单，工艺可控性好，成本低，易实现规模化生产，所述铆钉触头材料组织均匀，性能稳定。

本发明提供一种上述铜覆银石墨烯复合铆钉触头的制备方法，所述方法为：将银石墨烯丝材与铜丝材利用复合铆钉机加工得到复合铆钉触头。

优选地，所述银石墨烯丝材，直径为1.5-2.5mm。

优选地，所述银石墨烯丝材可以采用现有符合要求的材料，也可以采用化学还原法制备出银石墨烯粉体后，利用粉末冶金与热挤压技术制备出所需尺寸的银石墨烯丝材。

优选地，所述银石墨烯丝材可以进一步在还原气氛下多次退火、拉拔得到所需尺寸丝材。

更优选地，所述还原气氛下多次退火，其中：还原气氛多采用氢气，退火温度为400-550℃，退火时间为2-5小时。

优选地，所述铜丝材，直径为1.5-2.5mm。

优选地，所述银石墨烯丝材，其中石墨烯含量为0.5wt％-5wt％。

本发明所得铜覆银石墨烯双复合或三复合铆钉触头材料，与现有不同的是所选覆层材料不同，本发明为银石墨烯作为覆层材料，引入了高性能的石墨烯材料，铆钉触头电气性能改善明显，可较好的满足不同的应用需求

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

(1)创造性的采用银石墨烯复合层与铜基体进行复合，使得界面结合良好；

(2)与传统的银石墨材料相比，银石墨烯材料具有适合的硬度与塑性，可制备出性能稳定的银石墨烯丝材，适用于复合铆钉触头；

(3)银石墨烯优异的导电性能及耐电弧性能，使复合铆钉具有较好的物理性能，与传统铆钉触头相比具有更高的电寿命。

本发明能够制备出性能优异的复合铆钉触头，突破了一系列科学问题及技术难题。比如本发明设计得到的AgGR/Cu双复合铆钉触头，银石墨烯复合层的维氏硬度HV为80；铜基体层的维氏硬度HV为110；该复合铆钉具有低且稳定的接触电阻；高的电寿命特性。

附图说明

图1是本发明一实施例中AgGR/Cu双层复合铆钉触头结构示意图。

图2是本发明一实施例中AgGR/Cu/AgGR三复合铆钉触头结构示意图。

图3是本发明一实施例中AgGR/Cu双层复合铆钉触头电寿命试验中的燃弧能量。

图4是本发明一实施例中AgGR/Cu双层复合铆钉触头电寿命试验中的燃弧时间。

图5是本发明一实施例中AgGR/Cu双层复合铆钉触头电寿命试验中的接触电阻。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，以下实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明设计了一种铜覆银石墨烯复合铆钉触头，所述铆钉触头包括主体，所述主体头部和/或尾部设有银石墨烯复合层。

如图1所示，该图是本发明一实施例的AgGR/Cu双复合铆钉触头结构示意图：该触头为双层结构，其中主体为铜制成即铜基体2，主体上方为头部，头部的上表面设有银石墨烯层1。其中银石墨烯复合层与铜基体通过铆钉机加工复合成型。所述银石墨烯复合层，厚度为0.05-1mm。

如图2所示，该图是本发明较优实施例的AgGR/Cu/AgGR三复合铆钉触头结构示意图：该触头为三层结构，中间主体2为铜制成即铜基体，主体2上方为头部，头部的上表面设有银石墨烯层1，主体下方为尾部，尾部下表面设有银石墨烯层1。其中银石墨烯复合层与铜基体通过铆钉机加工复合成型。

所述银石墨烯复合层，厚度为0.05-1mm。

在另一实施例中，仅在复合铆钉触头主体的尾部设有银石墨烯层1，也可以提高触头电导率，同时获得更高的电寿命。

本发明所述铜覆银石墨烯复合铆钉触头中，银石墨烯与铜界面结合良好，具有优异的物理性能。同时，本发明工艺简单，过程易控，易实现规模化生产应用。

基于本发明上述的复合铆钉触头结构，本发明提供一种上述铜覆银石墨烯复合铆钉触头的制备方法，所述方法为：将银石墨烯丝材与铜丝材利用复合铆钉机加工得到复合铆钉触头。进一步的，银石墨烯丝材中石墨烯含量为0.5wt％-5wt％。

为了更好的理解本发明，以下提供制备方法的详细实施例说明，但本发明的具体实施并不限于以下实施例：

实施例1

本实施例1制备AgGR/Cu双复合铆钉触头的步骤如下：

Ⅰ)银石墨烯丝材的材料成分

银石墨烯丝材的材料成分主要是金属银和石墨烯，其中石墨烯含量为0.5wt％-5wt％。当然在其他实施例中，也可以根据实际需要选取具体的银石墨烯丝材的材料成分，并不局限于本发明实施例中所列。

Ⅱ)制备AgGR/Cu双复合铆钉触头的步骤

1)采用化学还原法制备出银石墨烯粉体后，利用粉末冶金与热挤压技术制备出直径为4mm的银石墨烯丝材；将所得丝材进行性能测试，发现电阻率为1.53Ω·m×10^-8；密度为10.31g/cm³；拉伸强度为190MPa；延伸率为42％。

2)将所述银石墨烯丝材置于氢气环境下，400℃退火4.5小时。利用拉丝机，将直径为4mm的银石墨烯丝材拉拔为直径为2.5mm的银石墨烯丝材。

3)利用双复合铆钉机，将银石墨烯丝材与铜丝材复合制备出AgGR/Cu双复合铆钉触头，银石墨烯复合层厚度为0.1mm。

实施例2

与实施例1主要的不同之处在于：本实施例2增加银石墨烯复合层的厚度。

本实施例2制备AgGR/Cu双复合铆钉触头的基本步骤如下：

Ⅰ)银石墨烯丝材的材料成分

银石墨烯丝材的材料成分主要是金属银和石墨烯，其中金属银占比为98wt％；石墨烯中占比为2wt％。

Ⅱ)制备AgGR/Cu双复合铆钉触头的步骤

1)采用化学还原法制备出银石墨烯粉体后，利用粉末冶金与热挤压技术制备出直径为4mm的银石墨烯丝材；将所得丝材进行性能测试，发现电阻率为1.53Ω·m×10^-8；密度为10.31g/cm³；拉伸强度为190MPa；延伸率为42％。

2)将所述银石墨烯丝材置于氢气环境下，450℃退火4小时。利用拉丝机，将直径为4mm的银石墨烯丝材拉拔为直径为1.85mm的银石墨烯丝材。

3)利用双复合铆钉机，将银石墨烯丝材与铜丝材复合制备出AgGR/Cu双复合铆钉触头，银石墨烯复合层厚度为0.3mm。

将上述得到的AgGR/Cu双复合铆钉触头的电寿命试验：

1)将所得双复合铆钉触头，装在触头电寿命试验机上，于220V交流电压、20A、阻性负载条件下进行触头电寿命试验，循环次数为400000次。

2)试验结果如图3、图4、图5所示。所述AgGR/Cu双复合铆钉触头，具有较低的燃弧能量与燃弧时间，同时具有低且稳定的接触电阻。图3显示出燃弧能量为～600mJ，图4显示出燃弧时间为～25ms，图5显示出接触电阻为～0.0012mΩ。

实施例3

本实施例3制备AgGR/Cu/AgGR三复合铆钉触头的步骤如下：

1)采用化学还原法制备出银石墨烯粉体后，利用粉末冶金与热挤压技术制备出直径为4mm的银石墨烯丝材；将所得丝材进行性能测试，发现电阻率为1.53Ω·m×10^-8；密度为10.31g/cm³；拉伸强度为190MPa；延伸率为42％。

2)将所述银石墨烯丝材置于氢气环境下，500℃退火3小时。利用拉丝机，将直径为4mm的银石墨烯丝材拉拔为直径为2.5mm的银石墨烯丝材。

3)利用三复合铆钉机，将银石墨烯丝材与铜丝材复合制备出AgGR/Cu/AgGR三复合铆钉触头，头部的上表面处银石墨烯复合层厚度为0.1mm，尾部的下表面处银石墨烯复合层厚度为1mm。

实施例4

1)采用现有的银石墨烯丝材，将所述银石墨烯丝材置于氢气环境下，550℃退火2小时。利用拉丝机，将银石墨烯丝材拉拔为直径为1.5mm的银石墨烯丝材；

2)利用三复合铆钉机，将银石墨烯丝材与铜丝材复合制备出AgGR/Cu/AgGR三复合铆钉触头，头部的上表面处银石墨烯复合层厚度为0.05mm，尾部的下表面处银石墨烯复合层厚度为0.8mm。

实施例5

1)采用现有的银石墨烯丝材和铜丝材，银石墨烯丝材直径为1.5-2.5mm；铜丝材直径为1.5-2.5mm；

2)利用复合铆钉机，将银石墨烯丝材与铜丝材复合制备出AgGR/Cu双复合铆钉触头或AgGR/Cu/AgGR三复合铆钉触头。

本发明制备出的复合铆钉触头性能优异，比如本发明得到的AgGR/Cu双复合铆钉触头，银石墨烯复合层的维氏硬度HV为80；铜基体层的维氏硬度HV为110；该复合铆钉具有低且稳定的接触电阻；高的电寿命特性。

应当理解的是，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施方式。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应该认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种铜覆银石墨烯复合铆钉触头，其特征在于：所述铆钉触头包括主体，所述主体的头部和/或尾部设有银石墨烯复合层。

2.根据权利要求1所述的铜覆银石墨烯复合铆钉触头，其特征在于：所述头部的上表面设有银石墨烯复合层。

3.根据权利要求1所述的铜覆银石墨烯复合铆钉触头，其特征在于：所述尾部的下表面设有银石墨烯复合层。

4.根据权利要求1所述的铜覆银石墨烯复合铆钉触头，其特征在于：所述铆钉触头的主体为铜制成，所述银石墨烯复合层与所述主体通过铆钉机加工复合成型。

5.根据权利要求1-4任一项所述的铜覆银石墨烯复合铆钉触头，其特征在于：所述银石墨烯复合层，厚度为0.05-1mm。

6.一种权利要求1-5任一项所述的铜覆银石墨烯复合铆钉触头的制备方法，其特征在于：所述方法为：将银石墨烯丝材与铜丝材利用复合铆钉机加工得到复合铆钉触头。

7.根据权利要求6所述的铜覆银石墨烯复合铆钉触头的制备方法，其特征在于：所述银石墨烯丝材采用化学还原法制备出银石墨烯粉体后，利用粉末冶金与热挤压技术制备出所需尺寸的银石墨烯丝材；所述银石墨烯丝材，直径为1.5-2.5mm；所述银石墨烯丝材，其中石墨烯含量为0.5wt％-5wt％。

8.根据权利要求7所述的铜覆银石墨烯复合铆钉触头的制备方法，其特征在于：所述银石墨烯丝材进一步在还原气氛下多次退火、拉拔得到所需尺寸丝材。

9.根据权利要求8所述的铜覆银石墨烯复合铆钉触头的制备方法，其特征在于：所述还原气氛下多次退火，其中：还原气氛多采用氢气，退火温度为400-550℃，退火时间为2-5小时。

10.根据权利要求6-9任一项所述的铜覆银石墨烯复合铆钉触头的制备方法，其特征在于：所述铜丝材，直径为1.5-2.5mm。