CN105908105A - 高延伸率银基电接触材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属基复合材料技术，旨在提供一种高延伸率银基电接触材料及其制备方法。该原料配方是由重量百分含量计算的下述组分组成：银粉84～88％、碳化硅晶须1～8％、铜纤维2～6％、纳米二氧化硅溶胶1～12.9％、表面改性剂0.1～1％。本发明通过纳米二氧化硅溶胶改性，在银基体中形成连续网络结构，充分发挥了碳化硅晶须和铜纤维的优良性质，提高了银基电接触材料的延伸率、电导率和抗拉强度，进而弥补了现有环保型银基电接触材料可加工性能差、电阻率高等不足。本发明的制备过程环保、操作简单、成本较低。在达到同等性能的条件下，可以降低电接触材料中银的使用量，从而节约贵金属资源。

Description

高延伸率银基电接触材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料技术领域，具体涉及一种高导电高延伸率银基电接触材料及其制备方法。
背景技术
电接触材料及元件是电器工业的核心基础，担负着接通与分断电流的任务，其性能直接影响到整机设备的通断容量、使用寿命和运行可靠性。电接触材料发展至今已有一百多年历史，主要经历了电接触金属材料、电接触合金材料、电接触复合材料三个阶段。
二十世纪初，主要采用Cu、Ag、Au、Pt等纯金属作为电接触材料。其中，Ag具有较高的导电性、导热性、延展性和机械加工性能，成为当时较为理想的一种电接触材料。但随着应用的不断扩展，Ag电接触材料不耐磨、易发生冷熔焊、抗硫化能力差等缺点逐渐显现，而其较高的成本也限制了材料的应用。二十世纪三四十年代，人们开始采用AgCu、AgCd等合金作为电接触材料，改善电接触材料的硬度，提高其抗硫化能力，并降低电接触材料成本，但电接触材料在综合性能和电寿命方面仍有待进一步提高。这一时期还出现了Ag/Ni、Ag/W等假合金材料，并表现出优于以往材料的性能，电接触复合材料由此受到人们的关注。F.R.Hensel等人成功开发出Ag/CdO电接触复合材料并从五十年代开始大规模应用，具有耐电弧、抗熔焊、耐电气和机械磨损、耐腐蚀和低接触电阻以及良好的加工性等优点，在较大的工作电压或电流范围内，都表现出优良的电接触性能，被称为“万能触点材料”，在此后的六十余年Ag/CdO电接触复合材料一直占据着市场的主导。同时，Ag/SnO2、Ag/ZnO、Ag/C等多种Ag基电接触复合材料得到进一步发展。
进入二十一世纪，环境保护日益受到世界各国重视，2003年2月欧盟颁布了《关于在电子电器设备中禁止使用某些有害物质指令》(RoHS指令)和《废旧电子电器》(WEEE指令)对电子电器设备中含Cd材料的应用进行限制，掀起了Ag/CdO替代电接触材料研究的热潮。近十年来，研究人员围绕环保型无Cd电接触复合材料开展了大量的研究工作，主要集中在新材料体系的探索、已有材料体系的改性以及复合材料结构的控制等方面，并成为Ag基复合电接触材料研究发展的趋势。
然而，目前研究和应用较多的Ag/SnO2、Ag/ZnO等环保型电接触材料，虽然力学、电学等性能相对优异，但是可加工性能差(特别是当银含量降低至90wt％以下)，导致产品综合性能下降、生产成本增加、成品率降低，极大地阻碍了环保型电接触材料的应用和发展。因此，亟需开发可加工性能优异、生产成本较低的环保型银基电接触材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上现有技术中的不足，提供一种高延伸率银基电接触材料及其制备方法。该方法制备获得的银基电接触材料具有高延伸率、高电导率、高抗拉强度和长电寿命。
为解决上述技术问题，本发明的解决方案为：
提供一种高延伸率银基电接触材料的原料配方，是由重量百分含量计算的下述组分组成：银粉84～88％、碳化硅晶须1～8％、铜纤维2～6％、纳米二氧化硅溶胶1～12.9％、表面改性剂0.1～1％。
本发明中，所述表面改性剂为聚乙烯吡咯烷酮。
本发明进一步提供了利用前述原料配方制备高延伸率银基电接触材料的方法，包括下述步骤：
(1)按所述原料配方的比例关系称量各组分；
(2)将纳米二氧化硅溶胶与去离子水按质量比1:50配好后，置于超声设备中超声处理30min，取出后在800～1200r/min的搅拌速率下，边搅拌边依次加入表面改性剂、碳化硅晶须和铜纤维，继续搅拌20min后，获得复合料浆A；
(3)将复合料浆A置于反应釜中，在180-220℃条件下反应8-12h，获得复合料浆B；
(4)将复合料浆B置于真空干燥箱烘干获得复合粉体A，备用；
(5)将银粉与复合粉体A按比例放置于机械球磨设备中，在300r/min的速度下搅拌球磨1～2小时，获得复合粉体B；
(6)将复合粉体B置于成型模具中，依次在80MPa和220MPa条件下分两步干压成型，获得银基电接触材料坯体；
(7)将银基复合材料素坯置于真空烧结炉中，在氩气气氛和860～900℃条件下烧结3～6小时，获得高延伸率银基电接触材料。
本发明中，所述银粉的粒径为1～5um，纯度为99.99％。
本发明中，所述碳化硅晶须为金刚石晶型，其直径为200nm-500nm，长度为5-10um，纯度为99.99％。
本发明中，所述铜纤维的直径为1-3um，长度为10-30um。
本发明中，所述纳米二氧化硅溶胶的粒度为30-50nm，浓度为30wt％。
本发明中，所述步骤(2)中，超声设备的频率为50HZ。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明利用具有金刚石晶型的碳化硅晶须的高韧性、高抗拉强度和高模量的特点，以及铜纤维优异的导电和变形性能，通过纳米二氧化硅溶胶改性，在银基体中形成连续网络结构，充分发挥了碳化硅晶须和铜纤维的优良性质，提高了银基电接触材料的延伸率、电导率和抗拉强度，进而弥补了现有环保型银基电接触材料可加工性能差、电阻率高等不足。
2、本发明的制备过程环保、操作简单、成本较低。在达到同等性能的条件下，可以降低电接触材料中银的使用量，从而节约贵金属资源。
具体实施方式
下面通过实例进一步对本发明进行描述。
本发明中，高延伸率银基电接触材料的原料配方，是由重量百分含量计算的下述组分组成：银粉84～88％、碳化硅晶须1～8％、铜纤维2～6％、纳米二氧化硅溶胶1～12.9％、表面改性剂0.1～1％。
利用该原料配方制备高延伸率银基电接触材料的方法，包括下述步骤：
(1)按所述原料配方的比例关系称量各组分；
(2)将纳米二氧化硅溶胶与去离子水按质量比1:50配好后，置于超声设备中超声处理30min，取出后在800～1200r/min的搅拌速率下，边搅拌边依次加入表面改性剂、碳化硅晶须和铜纤维，继续搅拌20min后，获得复合料浆A；
(3)将复合料浆A置于反应釜中，在180-220℃条件下反应8-12h，获得复合料浆B；
(4)将复合料浆B置于真空干燥箱烘干获得复合粉体A，备用；
(5)将银粉与复合粉体A按比例放置于机械球磨设备中，在300r/min的速度下搅拌球磨1～2小时，获得复合粉体B；
(6)将复合粉体B置于成型模具中，依次在80MPa和220MPa条件下分两步干压成型，获得银基电接触材料坯体；
(7)将银基复合材料素坯置于真空烧结炉中，在氩气气氛和860～900℃条件下烧结3～6小时，获得高延伸率银基电接触材料。
各实施例中的试验数据见下表(各组分的份数均为重量百分比含量)：
采用本发明方法制备获得的高延伸率银基电接触材料，与现有技术中银含量相同的电接触材料相比，其延伸率明显提高，电阻率明显降低，抗拉强度提高。
例如，市售产品中银质量分数为88％的AgSnO2材料，其电阻率一般为2.2～2.5μΩ·cm、延伸率为13～17％(国家标准)、抗拉强度约230-250MPa。而本发明所得银基电接触材延伸率高达26％、电阻率可低至1.91μΩ·cm、抗拉强度达330MPa，性能差异十分显著。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高延伸率银基电接触材料的原料配方，其特征在于，是由重量百分含量计算的下述组分组成：银粉84～88％、碳化硅晶须1～8％、铜纤维2～6％、纳米二氧化硅溶胶1～12.9％、表面改性剂0.1～1％。
2.根据权利要求1所述的原料配方，其特征在于，所述表面改性剂为聚乙烯吡咯烷酮。
3.一种利用前述原料配方制备高延伸率银基电接触材料的方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)按所述原料配方的比例关系称量各组分；
(2)将纳米二氧化硅溶胶与去离子水按质量比1:50配好后，置于超声设备中超声处理30min，取出后在800～1200r/min的搅拌速率下，边搅拌边依次加入表面改性剂、碳化硅晶须和铜纤维，继续搅拌20min后，获得复合料浆A；
(3)将复合料浆A置于反应釜中，在180-220℃条件下反应8-12h，获得复合料浆B；
(4)将复合料浆B置于真空干燥箱烘干获得复合粉体A，备用；
(5)将银粉与复合粉体A按比例放置于机械球磨设备中，在300r/min的速度下搅拌球磨1～2小时，获得复合粉体B；
(6)将复合粉体B置于成型模具中，依次在80MPa和220MPa条件下分两步干压成型，获得银基电接触材料坯体；
(7)将银基复合材料素坯置于真空烧结炉中，在氩气气氛和860～900℃条件下烧结3～6小时，获得高延伸率银基电接触材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述银粉的粒径为1～5um，纯度为99.99％。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述碳化硅晶须为金刚石晶型，其直径为200nm-500nm，长度为5-10um，纯度为99.99％。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述铜纤维的直径为1-3um，长度为10-30um。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述纳米二氧化硅溶胶的粒度为30-50nm，浓度为30wt％。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，超声设备的频率为50HZ。
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