CN109482885B - 具有微观定向结构的铜基触头材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属基复合材料领域，具体为一种具有微观定向结构的铜基触头材料及其制备方法。该材料由质量分数为5％～85％的基体相(铜或铜合金)和第二相(铬、铬合金、碳化钨或碳化硅)复合组成，并且微观上两相沿制备过程的冷冻方向相间排列。该材料通过浆料配制、冷冻铸造和真空冷冻干燥、去有机质和骨架烧结以及骨架熔渗的工艺流程制备而成，材料中两相的含量通过调节浆料配比加以控制。本发明的铜基触头材料具有良好的塑性和韧性以及高温力学性能，特别是沿微观结构方向表现出优异的导电和导热性能，因此有望显著提升触头的使用效果，减少能量消耗。

Description

具有微观定向结构的铜基触头材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料领域，具体为一种具有微观定向结构的铜基触头材料及其制备方法。
背景技术
触头是电器开关、断路器、继电器等电器的接触部件，担负着电路的接通、断开、载流和隔离的任务，其质量优劣、性能好坏直接影响开关设备的性能和稳定性，从而影响电器设备乃至整个电气系统的正常运行。铜基复合材料是目前应用较为广泛的一类触头材料，一般以铜或铜合金作为基体相，以钨、铬、碳化钨等高熔点金属或化合物作为第二相，微观上两相相互混合，从而将基体相的导电、导热性能和第二相的强化、硬化效果以及高温稳定性、抗电弧烧蚀性能结合起来，满足触头的使用要求。
目前，铜基触头材料的微观结构通常较为单一，其基体相和第二相的分布较为均匀，并且两相在空间上没有特定的择优取向，这使得铜基触头材料的性能具有各向同性的特点。然而，在触头材料的实际服役过程中，电流往往仅沿着特定的方向传导。因此，目前的铜基触头材料的性能优势无法在实际使用方向上得以充分发挥。同时，尽管两相在三维空间内相互连通，但是沿任一方向连通的路径都是非常狭窄和曲折的，因而无法实现良好的导电性和导热性。此外，基体相较差的空间连通性也在很大程度上制约铜基触头材料的塑性和韧性，使得触头材料相比于基体相明显变脆，从而限制其实际使用效果和应用范围。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种具有微观定向结构的铜基触头材料，通过微观结构设计改善触头的导电、导热性能和力学性能，从而提升其使用效果并降低能源损耗，本发明的目的之二在于提供一种具有微观定向结构的铜基触头材料的制备方法。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术解决方案如下：
一种具有微观定向结构的铜基触头材料，所述的铜基触头材料由基体相和第二相复合组成，其中基体相为铜或铜合金，第二相为铬、铬合金、碳化钨或碳化硅，以质量百分数计，基体相含量为5％～85％；所述的铜基触头材料微观上具有定向结构，具体表现为基体相和第二相沿材料制备过程的冷冻方向相间排列，基体相片层厚度为0.1μm～350μm，片层间距为0.2μm～200μm。
所述的具有微观定向结构的铜基触头材料的制备方法，包括以下步骤：
(A)浆料配制：称取第二相粉体、水和添加剂，将其充分混合，得到均匀分散的水基浆料；
(B)冷冻铸造和真空冷冻干燥：利用冷冻铸造工艺处理水基浆料，使其中的水沿冷冻方向发生定向凝固，从而将第二相粉体和添加剂排挤到冰层之间，使第二相粉体和添加剂微观上定向排列，对凝固的水基浆料脱模后，进行真空冷冻干燥处理去除其含有的水分，得到具有定向多孔结构的第二相坯体；
(C)去有机质和骨架烧结：对坯体进行高温处理去除其含有的有机质，然后对去除有机质后的坯体进行高温烧结，得到由第二相组成的具有微观定向结构的多孔骨架；
(D)骨架熔渗：将铜或铜合金加热融化后，浸渗入烧结好的第二相多孔骨架中，使铜或铜合金的熔体填充骨架的孔隙，待铜或铜合金的熔体凝固冷却后，切除多余的铜或铜合金，得到具有微观定向结构的铜基触头材料。
步骤(A)中，所述的水基浆料中第二相粉体、添加剂和水的质量比例范围为1：(0.001～0.5)：(0.05～20)；所述的添加剂包括有机粘结剂和分散剂，该有机粘结剂是聚乙二醇、聚乙烯醇、蔗糖、羟丙基甲基纤维素或瓜尔胶中的一种或一种以上，有机粘结剂的添加量为水的质量的0.5％～20％，该分散剂是聚丙烯酸、聚乙烯亚胺、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠或Darvan CN中的一种或一种以上，分散剂的添加量为第二相粉体质量的0～20％；水基浆料混合的工艺是超声、振动、搅拌、球磨的一种或任意的结合。
步骤(B)中，所述的冷冻铸造工艺为：将混合均匀的浆料倒入模具中，对模具一端进行冷却，使得浆料中的水沿冷却方向发生定向凝固，沿凝固方向生长的冰晶将浆料中的第二相粉体和添加剂逐渐排挤到冰层之间，从而微观上实现粉体的定向排列；模具的冷却通过将模具与一端浸于冷却介质中的铜板相连接实现，冷却介质为液氮或干冰；所述的真空冷冻干燥工艺为：将凝固的浆料脱模后置于冷阱温度低于-30℃、真空度不超过10Pa的真空环境下，放置时间大于10h。
步骤(C)中，所述的对坯体进行高温处理去除其含有的有机质为：在真空或保护气氛中对坯体进行高温处理，处理温度为400℃～800℃，其中保护气氛为氮气、氩气、氦气的一种或它们任意的混合气体；所述的对去除有机质后的坯体进行高温烧结在真空、保护气氛或还原气氛中完成，该保护气氛为氮气、氩气、氦气的一种或它们任意的混合气体，该还原气氛为氢气或氢气与氩气的混合气体，烧结温度为800℃～2000℃。
步骤(D)中，所述的第二相多孔骨架的熔渗在真空、保护气氛或还原气氛中完成，该保护气氛为氮气、氩气、氦气的一种或它们任意的混合气体，该还原气氛为氢气或氢气与氩气的混合气体，熔渗温度为1100～1800℃，熔渗用的材料为铜或铜合金。
本发明的设计思想为：
本发明的触头材料以铜或铜合金为基体相，以铬、铬合金、碳化钨或碳化硅为第二相，基体相主要提供导电性、导热性以及塑性和韧性，第二相主要提供硬度、强度、耐磨性以及抗电弧烧蚀性能。本发明的触头材料微观上沿制备过程的冷冻方向相间排列，并且在三维空间相互连通，这使得触头材料沿该方向表现出优异的导电性和导热性，同时基体相良好的连通性有助于提高材料的塑性和韧性，两相相间排列的结构也有利于在触头材料中引入裂纹偏转、桥连等增韧机制，从而进一步提升材料的塑性和韧性。此外，第二相良好的连通性和定向性有利于提高材料沿微观结构方向的高温强度。
与现有的材料、技术相比，本发明具有以下的优点及有益效果：
(A)本发明的铜基触头材料因微观上具有定向结构而表现出良好的塑性和韧性以及高温力学性能，特别是沿微观结构方向表现出优异的导电和导热性能，因此有望显著提升触头的使用效果，减少能量消耗。
(B)本发明的铜基触头材料的制备方法简单，工艺环保，对设备要求低，制备的触头材料没有尺寸限制，并且触头材料的微观结构和性能可以通过调整工艺进行有效控制。
(C)本发明的铜基触头材料综合性能优异，有望用作开关、断路器等设备的电触头，在电气电力系统具有可观的应用前景。
附图说明
图1为实施例1烧结得到的具有微观定向结构的多孔铬骨架的扫描电子显微图片，该骨架的孔隙率约为63％，片层的平均厚度约为20μm，片层的平均间距约为40μm。
图2为实施例1制备得到的具有微观定向结构的铜/铬触头材料的扫描电子显微图片，图中亮白色为铬，暗黑色为铜，触头材料中铬的体积分数为37％。
图3为实施例2制备得到的具有微观定向结构的铜/铬触头材料的扫描电子显微图片，图中亮白色为铬，暗黑色为铜，触头材料中铬的体积分数为52％。
图4为实施例4制备得到的具有微观定向结构的铜/碳化钨触头材料的扫描电子显微图片，图中亮白色为碳化钨，暗黑色为铜，触头材料中碳化钨的体积分数为43％。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明提供一种具有微观定向结构的铜基触头材料及其制备方法，该触头材料由质量分数为5％～85％(优选为12％～75％)的基体相(铜或铜合金)和第二相(铬、铬合金、碳化钨或碳化硅)复合组成，微观上两相沿材料制备过程的冷冻方向相间排列，基体相片层厚度为0.1μm～350μm(优选为2μm～200μm)，片层间距为0.2μm～200μm(优选为2μm～160μm)。该触头材料通过浆料配制、冷冻铸造和真空冷冻干燥、去有机质和骨架烧结以及骨架熔渗的工艺制备而成。其中，通过冷冻铸造和真空冷冻干燥可获得由第二相组成的具有微观定向的片层结构的多孔坯体，坯体片层的平均间距为0.15～400μm，该坯体烧结后可得到具有微观定向的片层结构的多孔骨架，该骨架的平均片层厚度为0.2μm～200μm，片层的平均间距为0.1μm～350μm。
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步阐述，以下实施例仅限用于说明本发明，而不用于限制本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例中，制备具有微观定向结构的铜/铬触头材料，所用的原材料包括金属铬粉体(平均粒径为600nm)、水、羟丙基甲基纤维素粉末(平均粒径为180μm)、聚乙烯亚胺以及熔渗用纯铜块，具体制备工艺如下：
(A)浆料配制
称取120g水加入到500ml的塑料广口瓶中，向广口瓶中依次加入480g金属铬粉体、6g羟丙基甲基纤维素粉末和9.6g聚乙烯亚胺，并滴入5滴消泡剂(约0.3ml)，该消泡剂为南京华兴消泡剂有限公司生产的XPM-120型消泡剂，搅拌5min使浆料均匀分散，然后向浆料中加入直径为3mm、6mm、10mm和12mm的氧化锆磨球各6个，将广口瓶盖上瓶盖密封后，放置于滚筒式球磨机上进行球磨。球磨速度为130rpm，球磨时间为72h，球磨后得到含有金属铬粉体的均匀分散的水基浆料。
(B)冷冻铸造和真空冷冻干燥
将混合均匀的浆料倒入内腔尺寸为30mm×30mm×90mm的长方体聚甲基丙烯酸甲酯模具中，模具下端以倾角为25°的聚二甲基硅氧烷底座密封，将模具放置于铜板上，将铜板的另一侧与一端浸没在液氮中的铜棒相连接，通过铜板的冷却以10℃/min的冷却速率使浆料中的水沿模具自底向上发生定向凝固，沿凝固方向生长的冰晶将金属铬粉体和添加剂逐渐排挤到定向生长的冰层之间，使其微观上发生定向排列形成片层结构，待浆料完全凝固后脱模，将凝固的浆料放置于真空冷冻干燥机中进行真空冷冻干燥处理以去除其含有的水分，设置冷阱温度为-60℃，真空度为1Pa，处理时间为96h，取出后得到由金属铬粉体和添加剂组成的具有微观定向的片层结构的多孔坯体，坯体的平均片层间距为65μm，孔隙率为80％。
(C)去有机质和骨架烧结
将多孔坯体放置于热处理炉内，在氩气环境中，以5℃/min的速率从室温升温至600℃，保温5h，再以5℃/min的速率降温至室温，从而去除坯体中含有的有机质。将去有机质后的坯体放置于烧结炉内，在体积比20％氢气与80％氩气的混合气体环境中，以10℃/min的速率升温至1400℃，保温2h，再以10℃/min的速率降温至室温，烧结得到具有微观定向的片层结构的多孔铬骨架，其微观结构见图1。由图1可以看出，该骨架的孔隙率约为63％，片层的平均厚度约为20μm，片层的平均间距约为40μm。
(D)骨架熔渗
将烧结后的铬骨架放置于石墨坩埚内，将熔渗用纯铜块置于铬骨架之上，然后将石墨坩埚放置于烧结炉内，在-0.05MPa的真空条件下，以10℃/min的速率升温至1400℃，保温30min，利用熔融的金属铜浸渗铬骨架，以铜熔体填充骨架孔隙，再以5℃/min的速率降温至室温，取出后切除多余的铜。
经上述工艺可制备得到具有微观定向结构的铜/铬触头材料，其微观结构见图2。由图2可以看出，该触头材料由铜、铬两相复合组成，并且微观上两相沿材料制备过程的冷冻方向相间排列，其中铬的体积分数为37％，对应质量分数为32％。
实施例2：
本实施例中，制备具有微观定向结构的铜/铬触头材料，所用的原材料与实施例1相同，具体制备工艺与实施例1的不同之处在于，浆料配制过程中所添加的水的质量为100g，金属铬粉体的质量为600g，羟丙基甲基纤维素粉末的质量为5g，聚乙烯亚胺的质量为12g，其余操作均与实施例1相同。
经上述工艺可制备得到具有微观定向结构的铜/铬触头材料，其微观结构见图3，该材料中铬的体积分数为52％，对应质量分数为47％。
实施例3：
本实施例中，制备具有微观定向结构的铜/碳化钨触头材料，所用的原材料包括碳化钨粉体(平均粒径为1μm)、水、聚乙烯醇(平均粒径为100μm)、聚丙烯酸以及熔渗用纯铜块，具体制备工艺如下：
(A)浆料配制
该步骤操作与实施例1中步骤(A)基本相同，所不同之处在于所用的原材料的种类和用量，具体为：碳化钨粉体400g，水100g，聚乙烯醇5g，聚丙烯酸8g。
(B)冷冻铸造和真空冷冻干燥
该步骤操作与实施例1中步骤(B)相同。
(C)去有机质和骨架烧结
根据实施例1中步骤(C)相同的操作去除真空冷冻干燥后得到的坯体中的有机质，然后使用放电等离子烧结技术对去有机质后的坯体进行烧结，烧结气氛为真空，烧结温度为1700℃，升温速率为50℃/min，保温时间为2h，烧结后得到具有微观定向的片层结构的多孔碳化钨骨架，骨架的孔隙率为65％，碳化钨片层的平均厚度约为30μm，片层的平均间距约为55μm。
(D)骨架熔渗
该步骤操作与实施例1中步骤(D)相同。
经上述工艺可制备得到具有微观定向结构的铜/碳化钨触头材料，该材料中碳化钨的体积分数为35％，对应质量分数为49％。
实施例4：
本实施例中，制备具有微观定向结构的铜/碳化钨触头材料，所用的原材料与实施例3相同，具体制备工艺与实施例3的不同之处在于，浆料配制过程中所添加的水的质量为150g，碳化钨粉体的质量为900g，聚乙烯醇的质量为7.5g，聚丙烯酸的质量为18g，其余操作均与实施例3相同。
经上述工艺可制备得到具有微观定向结构的铜/碳化钨触头材料，其微观结构见图4，该材料中碳化钨的体积分数为43％，对应质量分数为57％。
实施例结果表明，本发明制备的复合材料具有各向异性的力学性能和功能特性，特别是沿片层方向具有优异的力学性能和功能特性，包括高硬度、高强度、良好的塑性和韧性，以及优异的导电、导热性和耐电弧烧蚀性能。该材料主要用作电触头材料，可以提升构件的使用效果，延长其使用寿命，减轻构件质量，并降低能源损耗。另外，利用本发明的制备工艺可制备得到具有微观定向结构的铜基触头材料，微观上基体相和第二相沿制备过程的冷冻方向相间排列，并且两相的含量可通过调节浆料配比加以控制。本发明的铜基触头材料因其微观定向结构而表现出良好的塑性和韧性以及高温力学性能，特别是沿微观结构方向表现出优异的导电和导热性能，因此有望显著提升触头的使用效果，减少能量消耗。

Claims (3)

1.一种具有微观定向结构的铜基触头材料，其特征在于，所述的铜基触头材料由基体相和第二相复合组成，其中基体相为铜或铜合金，第二相为铬、铬合金、碳化钨或碳化硅，以质量百分数计，基体相含量为5%~85%；所述的铜基触头材料微观上具有定向结构，具体表现为基体相和第二相沿材料制备过程的冷冻方向相间排列，并且在三维空间相互连通，基体相片层厚度为2μm~200μm，片层间距为2μm~160μm；
所述的具有微观定向结构的铜基触头材料的制备方法，包括以下步骤：
（A）浆料配制：称取第二相粉体、水和添加剂，将其充分混合，得到均匀分散的水基浆料；
（B）冷冻铸造和真空冷冻干燥：利用冷冻铸造工艺处理水基浆料，使其中的水沿冷冻方向发生定向凝固，从而将第二相粉体和添加剂排挤到冰层之间，使第二相粉体和添加剂微观上定向排列，对凝固的水基浆料脱模后，进行真空冷冻干燥处理去除其含有的水分，得到具有定向多孔结构的第二相坯体；
（C）去有机质和骨架烧结：对坯体进行高温处理去除其含有的有机质，然后对去除有机质后的坯体进行高温烧结，得到由第二相组成的具有微观定向结构的多孔骨架；
（D）骨架熔渗：将铜或铜合金加热融化后，浸渗入烧结好的第二相多孔骨架中，使铜或铜合金的熔体填充骨架的孔隙，待铜或铜合金的熔体凝固冷却后，切除多余的铜或铜合金，得到具有微观定向结构的铜基触头材料；
步骤（A）中，所述的水基浆料中第二相粉体、添加剂和水的质量比例范围为1：（0.001~0.5）：（0.05~20）；所述的添加剂包括有机粘结剂和分散剂，该有机粘结剂是聚乙二醇、聚乙烯醇、蔗糖、羟丙基甲基纤维素或瓜尔胶中的一种或一种以上，有机粘结剂的添加量为水的质量的5%~20%，该分散剂是聚丙烯酸、聚乙烯亚胺、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠或Darvan C-N中的一种或一种以上，分散剂的添加量为第二相粉体质量的2~20%；水基浆料混合的工艺是超声、振动、搅拌、球磨的一种或任意的结合；
步骤（B）中，所述的冷冻铸造的工艺为：将混合均匀的水基浆料倒入聚甲基丙烯酸甲酯模具中，模具下端以倾角为25°的聚二甲基硅氧烷底座密封，将模具放置于铜板上，将铜板的一侧与一端浸没在液氮中的铜棒相连接，使得水基浆料中的水沿模具自底向上发生定向凝固，沿凝固方向生长的冰晶将水基浆料中的第二相粉体和添加剂逐渐排挤到冰层之间，从而微观上实现粉体的定向排列；所述的真空冷冻干燥的工艺为：将凝固的水基浆料脱模后置于冷阱温度低于-30℃、真空度不超过10Pa的真空环境下，放置时间大于10h。
2.根据权利要求1所述的具有微观定向结构的铜基触头材料，其特征在于，步骤（C）中，所述的对坯体进行高温处理去除其含有的有机质为：在真空或保护气氛中对坯体进行高温处理，处理温度为400℃~800℃，其中保护气氛为氮气、氩气、氦气的一种或它们任意的混合气体；所述的对去除有机质后的坯体进行高温烧结，在真空、保护气氛或还原气氛中完成，该保护气氛为氮气、氩气、氦气的一种或它们任意的混合气体，该还原气氛为氢气或氢气与氩气的混合气体，烧结温度为800℃~2000℃。
3.根据权利要求1所述的具有微观定向结构的铜基触头材料，其特征在于，步骤（D）中，所述的第二相多孔骨架的熔渗在真空、保护气氛或还原气氛中完成，该保护气氛为氮气、氩气、氦气的一种或它们任意的混合气体，该还原气氛为氢气或氢气与氩气的混合气体，熔渗温度为1100~1800℃，熔渗用的材料为铜或铜合金。
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