CN109797307B - 一种Ag/C@Ti3AlC2触头材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Ag/C@Ti3AlC2触头材料的制备方法，其步骤为：通过溶液中反应在Ti3AlC2粉末表面原位合成一层酚醛树脂有机物，再通过高温煅烧使有机物分解为碳层，包覆在Ti3AlC2颗粒表面。再将碳包覆Ti3AlC2(C@Ti3AlC2)粉体作为Ag基增强相，经过混粉、压片和无压烧结，制成Ag/C@Ti3AlC2触头复合材料。本发明通过在Ti3AlC2表面形成碳层，作为Ag与Ti3AlC2界面阻隔层，限制Al与Ag原子相互扩散形成新相层，有效抑制了Ag与Ti3AlC2在高温烧结过程中界面结构失稳、Ti3AlC2中Al原子脱嵌、以及界面反应层的形成，保证了触头材料导电导热性能，以及提高了耐电弧侵蚀性能。本发明所制备的触头材料，Ti3AlC2在Ag基体中分布均匀，导电性能良好，使用性能有大幅度提升。本发明工艺简单，成本低廉，有实际的工业生产价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型Ag基触头复合材料的制备与改性，其中涉及到碳包覆工艺与复合材料的制备过程。属于触头复合材料领域。
背景技术
在电路中，低压开关在电源和负载之间起到分配、保护与控制的作用，是整个电路系统的“心脏”。而触头是低压开关的核心部件，负责接通、承载和分断电流，其性能直接关系到电器设备的可靠性。触头材料要求具备较高的导电导热性、可加工、抗熔焊性能好、耐电弧侵蚀能力强、材料转移少、耐腐蚀、环保等特点。在低压Ag基触头材料中,Ag/CdO触头具有非常优异的综合性能，一度被称为“万能触头”。然而Cd元素具有毒性，在服役条件下，Ag/CdO材料中的CdO分解成Cd蒸汽，对人体健康以及环境产生危害。随着人们环保意识不断增强，Cd元素的使用受到一系列限制。
Ti3AlC2是一种最常见的MAX相，具有高导电性(38.7×10-3mΩ·cm)、高热导率(40W·m-1K-1)、低密度(4.2g/cm-3)、较高强度硬度、高热稳定性和耐高温氧化性，是一种非常具有潜力的金属增强相材料。目前已有研究报道，将Ti3AlC2作为复合材料增强相添加至复合体系以提升金属基体的性能。有研究者通过无压烧结方式，成功制备出Ag/Ti3AlC2触头复合材料。通过测试触头材料性能，发现Ag/Ti3AlC2复合材料硬度适中，易加工，材料组织均匀，且在电弧侵蚀下表现出非常优异的性能。然而，也发现其导电导热性能在一定程度上恶化，这归因于Ag/Ti3AlC2存在强烈的界面反应。
发明内容
技术问题：本发明针对Ag/Ti3AlC2触头材料在制备过程中界面反应问题，提出了一种新型 Ag/C@Ti3AlC2触头材料的制备方法。通过在Ti3AlC2表面包覆一层稳定存在的碳层，阻隔Ag与Ti3AlC2直接接触而限制了界面反应，提升触头性能。
技术方案：本发明是一种Ag/C@Ti3AlC2触头材料的制备方法，该材料制备方法，具体操作步骤如下：
步骤1：在溶液中通过反应，在Ti3AlC2粉末表面原位合成酚醛树脂作为碳源，离心清洗干燥后在管式炉中加热使酚醛树脂脱水碳化，形成一层包裹在Ti3AlC2表面的碳，最终生成碳包覆Ti3AlC2即C@ Ti3AlC2；
步骤2：将C@Ti3AlC2粉末与Ag粉进行混粉，对混粉后复合粉末进行压制成坯，形成Ag/C@Ti3AlC2块体生坯；其中C@Ti3AlC2粉末质量占混粉质量的10％；
步骤3：将上述块体生坯置于管式炉中进行无压烧结，用氩气作保护气氛，最终制备出Ag- C@Ti3AlC2熟坯触头复合材料。
其中，
步骤1中所述的原位合成酚醛树脂，采用反应原料为间苯二酚与甲醛；将Ti3AlC2粉末添加至酒精水溶液中，超声搅拌；再加入间苯二酚，依次进行超声分散与磁力搅拌；滴加氨水确保溶液呈碱性；再定量量取甲醛，以缓慢速度滴加至上述溶液中，此过程一直伴随磁力搅拌；之后取出进行离心清洗干燥，将干燥粉末放入管式炉中煅烧，高温碳化。
所述的Ti3AlC2粉末，颗粒为5～25μm，装载量为20～50g/L；加入的间苯二酚量为3～8g/L，其中，加入分析纯甲醛溶液的量为5～13ml/L，加入分析纯氨水的量为1～5ml/L。
磁力搅拌一直伴随着反应过程中，转速为600～800r/mim，反应时间为12～15h，反应温度控制在 20～30℃；随后离心至少用去离子水与酒精各清洗3次；放置于干燥箱中在55～70℃温度下干燥8～12h。
所述的高温碳化，是将干燥粉末置于管式炉中煅烧，升温速率为3～10℃/min，保温温度为 650～950℃，保温时间为4～7h，在高温碳化过程中持续通氩气作为保护气氛。
步骤2中所述的混粉，采用湿法球磨，酒精、球与复合粉料的质量比为1:1.5:1，球磨时间为 30～60min，干燥温度55～75℃，干燥时间为8～15h。
步骤2中所述的对混粉后复合粉末进行压制成坯工艺，采用压力为500～900MPa，保压时间为 0.5～2min，采用模具内径为13～20mm。
步骤3中所述的无压烧结，烧结温度为600～900℃，升温速率为5～10℃/min，保温时间为1.5～3h，降温速率为3～5℃/min。
有益效果：与现有未包覆的Ag/Ti3AlC2触头材料相比，本发明中包覆后的Ag/C@Ti3AlC2触头复合材料有以下优势：
尽管增强相Ti3AlC2具有优良导电导热性能，然而Ag/Ti3AlC2复合材料在高温烧结过程中，由于存在界面反应导致结构失稳，原子间相互扩散形成TiCx与Ag(Al)固溶体，恶化了材料导电导热等性能。经测试Ag/10wt％Ti3AlC2的电阻率约为7×10-2μΩ·m，远大于其理论值(2.02×10-2μΩ·m)。
Ti3AlC2基体被致密碳层均匀包覆后与Ag粉进行烧结复合，经导电性能测试，Ag/C@Ti3AlC2导电性有显著提升。良好导电性有利于减少触头在电流及电弧作用下热量的产生，有利于控制触头的温升，提升耐电弧侵蚀性能。并且界面反应的减缓提高了触头导热性，增加触头工作时散热，提升触头使用性能。
碳包覆有利于提高Ti3AlC2在Ag基体中分散性，提升复合材料的机械性能。且有效减少触头在电弧侵蚀作用下Ag的质量损失，延长触头材料使用寿命。
具体实施方式
以下通过实例对本发明作出进一步的说明。
本发明提供了不同碳层厚度的Ag/C@Ti3AlC2触头材料制备方法，具体实施步骤如下：
实施方案一：
按照包覆碳层厚度为200nm制备Ag/10wt％C@Ti3AlC2触头材料：称取1.6g间苯二酚与2.6ml甲醛作为反应物，Ti3AlC2粉体装载量为3g，在100ml酒精水溶液中反应24h。清洗干燥后置于管式炉煅烧，选取温度为850℃，煅烧时间为5h。将C@Ti3AlC2与Ag粉按上述质量比配料，球磨25min，混合后粉末在 800MPa下冷压成型，最后在管式气氛炉中烧结，烧结温度850℃，烧结时间2h，得到Ag/10wt％C@Ti3AlC2电触头材料。Ti3AlC2表面碳层厚度约为170～200nm，测得Ag/10wt％C@Ti3AlC2电阻率为3.8×10-2μΩ·m。
实施方案二：
按照包覆碳层厚度为120nm制备Ag/10wt％C@Ti3AlC2触头材料：称取0.8g间苯二酚与1.3ml甲醛作为反应物，Ti3AlC2粉体装载量为3g，在100ml酒精水溶液中反应24h。清洗干燥后置于管式炉煅烧，选取温度为800℃，煅烧时间为5.5h。将C@Ti3AlC2与Ag粉按上述质量比配料，球磨30min，混合后粉末在800MPa下冷压成型，最后在管式气氛炉中烧结，烧结温度800℃，烧结时间2h，得到Ag/10wt％C@Ti3AlC2电触头材料。Ti3AlC2表面碳层厚度约为100～120nm，测得Ag/10wt％C@Ti3AlC2电阻率为3.4×10-2μΩ·m。
实施方案三：
按照包覆碳层厚度为60nm制备Ag/10wt％C@Ti3AlC2触头材料：称取0.4g间苯二酚与0.7ml甲醛作为反应物，Ti3AlC2粉体装载量为3g，在100ml酒精水溶液中反应24h。清洗干燥后置于管式炉煅烧，选取温度为800℃，煅烧时间为5.5h。将C@Ti3AlC2与Ag粉按上述质量比配料，球磨30min，混合后粉末在800MPa下冷压成型，最后在管式气氛炉中烧结，烧结温度800℃，烧结时间2h，得到Ag/10wt％C@Ti3AlC2电触头材料。Ti3AlC2表面碳层厚度约为50～70nm，测得Ag/10wt％C@Ti3AlC2电阻率为3.2×10-2μΩ·m。
Claims (8)
1.一种Ag/C@Ti3AlC2触头材料的制备方法，其特征在于该材料制备方法，具体操作步骤如下：
步骤1：在溶液中通过反应，在Ti3AlC2粉末表面原位合成酚醛树脂作为碳源，离心清洗干燥后在管式炉中加热使酚醛树脂脱水碳化，形成一层包裹在Ti3AlC2表面的碳，最终生成碳包覆Ti3AlC2即C@Ti3AlC2；
步骤2：将C@Ti3AlC2粉末与Ag粉进行混粉，对混粉后复合粉末进行压制成坯，形成Ag/C@Ti3AlC2块体生坯；其中C@Ti3AlC2粉末质量占混粉质量的10％；
步骤3：将上述块体生坯置于管式炉中进行无压烧结，用氩气作保护气氛，最终制备出Ag/C@Ti3AlC2熟坯触头复合材料。
2.根据权利要求1所述的Ag/C@Ti3AlC2触头材料的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的原位合成酚醛树脂，采用反应原料为间苯二酚与甲醛；将Ti3AlC2粉末添加至酒精水溶液中，超声搅拌；再加入间苯二酚，依次进行超声分散与磁力搅拌；滴加氨水确保溶液呈碱性；再定量量取甲醛，以缓慢速度滴加至上述溶液中，此过程一直伴随磁力搅拌；之后取出进行离心清洗干燥，将干燥粉末放入管式炉中煅烧，高温碳化。
3.根据权利要求2所述的Ag/C@Ti3AlC2触头材料的制备方法，其特征在于，所述的Ti3AlC2粉末，颗粒为5～25μm，装载量为20～50g/L；加入的间苯二酚量为3～8g/L，其中，加入分析纯甲醛溶液的量为5～13ml/L，加入分析纯氨水的量为1～5ml/L。
4.根据权利要求2所述的Ag/C@Ti3AlC2触头材料的制备方法，其特征在于，磁力搅拌一直伴随着反应过程中，转速为600～800r/mim，反应时间为12～15h，反应温度控制在20～30℃；随后离心至少用去离子水与酒精各清洗3次；放置于干燥箱中在55～70℃温度下干燥8～12h。
5.根据权利要求2所述的Ag/C@Ti3AlC2触头材料的制备方法，其特征在于，所述的高温碳化，是将干燥粉末置于管式炉中煅烧，升温速率为3～10℃/min，保温温度为650～950℃，保温时间为4～7h，在高温碳化过程中持续通氩气作为保护气氛。
6.根据权利要求1所述的Ag/C@Ti3AlC2触头材料的制备方法，其特征在于，步骤2中所述的混粉，采用湿法球磨，酒精、球与复合粉料的质量比为1:1.5:1，球磨时间为30～60min，干燥温度55～75℃，干燥时间为8～15h。
7.根据权利要求1所述的Ag/C@Ti3AlC2触头材料 的制备方法，其特征在于，步骤2中所述的对混粉后复合粉末进行压制成坯工艺，采用压力为500～900MPa，保压时间为0.5～2min，采用模具内径为13～20mm。
8.根据权利要求1所述的Ag/C@Ti3AlC2触头材料 的制备方法，其特征在于，步骤3中所述的无压烧结，烧结温度为600～900℃，升温速率为5～10℃/min，保温时间为1.5～3h，降温速率为3～5℃/min。
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