CN110424001A - 一种铜基导电触头改性方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及导电触头技术领域，公开了一种铜基导电触头改性方法，包括以下步骤：将质量百分含量为0.1％‑0.2％石墨烯粉末、质量百分含量为0.2％‑2％亲水性表面活性剂加入水中形成混合物；对混合物进行水浴加热、物理分散，得到悬浮液；将悬浮液进行离心分离；将石墨烯浆料均匀涂覆在铜基导电触头的电接触面上，将铜基导电触头转移至真空干燥箱内进行干燥；将干燥后的铜基导电触头在保护气的作用下进行煅烧；将铜基导电触头装入热压模具内在真空状态下进行热压，热压模具中的压制头的温度为1050℃‑1083℃；冷却后，铜基导电触头的电接触面上形成一层致密的石墨烯涂层。经过改性后的铜基导电触头的表面硬度、表面接触电阻、导热性抗电弧侵蚀性均得到极大的提高。

Description

一种铜基导电触头改性方法

技术领域

本发明涉及导电触头技术领域，尤其涉及一种铜基导电触头改性方法。

背景技术

触头是各继电器、接触器和断路器等开关电器的关键部件，起着闭合、断开回路和传导电流的作用，开关电器的通断能力、电气寿命和可靠性都取决于触头的电性能和机械性能。而影响触头寿命的主要原因是触头的接触电阻和耐温特性，接触电阻过大时，易使触点(电接触面)发热而局部温度升高，从而使触点产生熔焊现象导致动触头、静触头接触面粘结在一起，这样既影响了继电器的可靠性又降低了触头的使用寿命；当动触头、静触头分离时，也会产生电弧，烧损触点表面金属，从而降低触点寿命。

目前所使用的导电触头通常采用平面接触，接触面有限，接触电阻较大，为了降低导电触头接触电阻，一般选用铜基触点上镀银或嵌银，以降低接触电阻，但银表面极易被氧化，进而导致接触电阻增大；现有技术中也有很对方案对导电触头进行改进，例如中国专利申请公布号为CN105575459A，申请日为2016/2/26，公开了一种镀铜石墨烯增强铜基电触头材料的制备方法，步骤为：石墨烯镀铜、铜熔炼、铜熔体中加入稀土与金属、镀铜石墨烯合金熔体、浇铸成型、去应力退火、加工成型。该方案在铜合金中加入稀土，镀铜石墨烯改善了石墨烯与金属间的界面润湿性，有利于获得良好界面结合，导电性、导热性能、抗电弧侵蚀性进一步提高。然而将石墨烯镀铜后并加入稀土后经过一系列复杂工艺后进行烧结成型，虽然与铜触头比较，性能提高明显，然而稀土资源有限、价格昂贵，整体成本较高，同时石墨烯分子间作用力易团聚，很难与铜分散均匀，且最终导电触头的触点(电接触面)仍然有大量的铜金属，在抗电弧侵蚀、表面氧化等方面改善作用较小，没有将石墨烯材料的优势完全发挥出来。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的铜基导电触头存在的接触电阻大、抗电弧侵蚀、抗氧化性能差的问题，提供了一种铜基导电触头改性方法，通过该种方法处理后的铜基导电触头的接触电阻减小，接触面的导电性、导热性、抗电弧侵蚀性显著提高，进而提高整个铜基导电触头的稳定性、延长使用寿命。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铜基导电触头改性方法，包括以下步骤：

a、将石墨烯粉末、亲水性表面活性剂加入水中形成混合物，以混合物总质量计，石墨烯粉末的质量百分含量为0.1％-0.2％，亲水性表面活性剂的质量百分含量为0.2％-2％；

b、对混合物进行水浴加热，在水浴加热的同时进行物理分散，得到悬浮液；

c、将悬浮液进行离心分离，去除上层液体得到稠状石墨烯浆料，对取出浆料进行沥水处理；

d、将铜基导电触头的电接触面进行等离子清洗，将石墨烯浆料均匀涂覆在铜基导电触头的电接触面上，将铜基导电触头转移至真空干燥箱内进行干燥；

e、将干燥后的铜基导电触头在保护气的作用下进行煅烧，煅烧温度为450℃-550℃，煅烧时间为1-3h；煅烧之后，在保护气的作用下将铜基导电触头的温度加热至700℃-900℃，将铜基导电触头装入热压模具内在真空状态下进行热压，热压模具中的压制头的温度为1050℃-1083℃；

f、取出热压后的铜基导电触头进行冷却，冷却后，铜基导电触头的电接触面上形成一层致密的石墨烯涂层。

步骤a、b中，亲水性表面活性剂有能够削弱石墨烯粉末的团聚，并配合物理分散，使得石墨烯分散更加均匀，后续形成的石墨烯涂层更加均匀、稳定；步骤d中，等离子清洗将铜基导电触头的电接触面上的杂质、氧化层等去除，够防止杂质、氧化层影响石墨烯与铜基的结合，在热压过程中结合的更加稳定；真空箱内干燥能够去除水分，同时能防止表面氧化；步骤e中，在保护气中进行煅烧，保护气能防止表面氧化，煅烧过程中亲水性表面活性剂被分解了，将压制头的温度为1050℃-1083℃，压制头的温度非常接近铜的熔点，压制过程中铜非常柔软以适配石墨烯涂层的形状，从而避免压制过程中石墨烯涂层被压制头强压、破坏；热压模具中热压后，石墨烯涂层与铜基导电触头的电接触面完全稳定结合；最后得到改性后的铜基导电触头，该种铜基导电触头的电接触面的表面强度、导电性、导热性、抗电弧侵蚀、抗氧化性均得到显著的提高。

作为优选，步骤b中，对混合物进行水浴加热的同时在超声震荡器内进行超声震荡，实现第一次物理分散；第一次物理分散后，保持水浴加热状态在磁力搅拌器内进行磁力搅拌，实现第二次物理分散。保持水浴状态下，分两次不同的物理分散，分散效果更好。

作为优选，第一次物理分散时的水浴加热温度为55℃-65℃，超声震荡频率为18-22kHz；第二次物理分散时的水浴加热温度为65℃-80℃，磁力搅拌速度为300-600r/min。

作为优选，步骤a中，石墨烯粉末的纯度≥99.5％,石墨烯粉末的粒径为0.5-5μm。确保石墨烯粉末的纯度以及粒径，使得最终形成的石墨烯涂层性能更好。

作为优选，所述的亲水性表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮的分子量为35000-45000。聚乙烯吡咯烷酮是一种分散剂，能够使得石墨烯粉末分散的更加均匀，同时聚乙烯吡咯烷酮又是一种很强的溶剂，能够将石墨烯粉末中的杂质溶解，并在后续的离心分离过程中将溶解的杂质和水一起分离掉，进一步提高石墨烯的纯度。

作为优选，步骤c中，悬浮液通过离心机离心处理，离心分离的转速为10000-13000r/min，离心处理时间为2-5min。

作为优选，步骤d中，石墨烯浆料涂覆在铜基导电触头的电接触面上的厚度为10-100μm；真空干燥箱内的干燥温度为110℃-130℃，干燥时间为12-24h。真空干燥去除石墨烯浆料中的水分，以便于后续烧结。

作为优选，步骤e中的保护气为Ar与H2的混合气，其中Ar体积占比为90％-95％，H2体积占比为5％-10％。保护气一方面能防止铜基导电触头表面氧化，保护气中的H2还能起到还原作用。

作为优选，步骤e中，压制头的压制压力为100-300Mpa，热压时间为5-10s。

作为优选，步骤f中，热压后的铜基导电触头置于真空箱内，通过Ar循环冷却，冷却过程中实时监测铜基导电触头；当铜基导电触头冷却至750℃-800℃，停止Ar循环，真空箱内抽真空，真空度为0.4-0.6个标准大气压，铜基导电触头在该环境下自然散热冷却；当铜基导电触头冷却至300℃-400℃时，真空箱通入Ar循环冷却，直至铜基导电触头的温度接近常温，最后取出铜基导电触头。分阶段进行冷却，第一阶段通过Ar循环冷却，使得热压后接近熔点的铜基导电触头快速稳定、定形；第二阶段在0.4-0.6个标准大气压下自然冷却，由于低压环境空气稀薄，铜基导电触头的冷却速率显著降低，冷却时间延长，此时由于石墨烯涂层、铜基导电触头之间连接基本趋于稳定，但是两种材料之间的热膨胀系数存在差异，冷却速度过快容易影响两者之间的连接可靠性，因此通过减缓冷却速率、延长冷却时间来削弱热膨胀系数差异带来的影响；第三阶段，两者已经结合的非常稳定、可靠，通过Ar循环冷却至常温即可。

因此，通过本发明中铜基导电触头改性方法对铜基导电触头进行处理后，铜基导电触头的电接触面的表面强度、导电性、导热性、抗电弧侵蚀、抗氧化性均得到显著的提高，铜基导电触头整体稳定性提高、使用寿命延长。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述：

实施例1：一种铜基导电触头改性方法，包括以下步骤：将石墨烯粉末、亲水性表面活性剂加入水中形成混合物，以混合物总质量计，石墨烯粉末的质量百分含量为0.1％，亲水性表面活性剂的质量百分含量为0.2％，石墨烯粉末的纯度≥99.5％,石墨烯粉末的粒径为0.5-5μm，亲水性表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮的分子量为35000；对混合物进行水浴加热，水浴加热的同时在超声震荡器内进行超声震荡，实现第一次物理分散，第一次物理分散时的水浴加热温度为55℃，超声震荡频率为18kHz；第一次物理分散后，保持水浴加热状态在磁力搅拌器内进行磁力搅拌，实现第二次物理分散，第二次物理分散时的水浴加热温度为65℃，磁力搅拌速度为300r/min；将悬浮液通过离心机进行离心分离，离心分离的转速为10000r/min，离心处理时间为5min，去除上层液体得到稠状石墨烯浆料，对取出浆料进行沥水处理；将铜基导电触头的电接触面进行等离子清洗，将石墨烯浆料均匀涂覆在铜基导电触头的电接触面上，石墨烯浆料涂覆在铜基导电触头的电接触面上的厚度为10μm，将铜基导电触头转移至真空干燥箱内进行干燥，真空干燥箱内的干燥温度为130℃，干燥时间为12h；将干燥后的铜基导电触头在保护气的作用下进行煅烧，煅烧温度为450℃，煅烧时间为3h，煅烧之后，在保护气的作用下将铜基导电触头的温度加热至900℃，将铜基导电触头装入热压模具内在真空状态下进行热压，热压模具中的压制头的温度为1050℃；保护气为Ar与H2的混合气，其中Ar体积占比为95％，H2体积占比为5％，压制头的压制压力为100Mpa，热压时间为5s；取出热压后的铜基导电触头置于真空箱内，通过Ar循环冷却，冷却过程中实时监测铜基导电触头；当铜基导电触头冷却至800℃，停止Ar循环，真空箱内抽真空，真空度为0.6个标准大气压，铜基导电触头在该环境下自然散热冷却；当铜基导电触头冷却至400℃时，真空箱通入Ar循环冷却，直至铜基导电触头的温度接近常温，最后取出铜基导电触头，铜基导电触头的电接触面上形成一层致密的石墨烯涂层。

实施例2：一种铜基导电触头改性方法，包括以下步骤：将石墨烯粉末、亲水性表面活性剂加入水中形成混合物，以混合物总质量计，石墨烯粉末的质量百分含量为0.1％，亲水性表面活性剂的质量百分含量为2％，石墨烯粉末的纯度≥99.5％,石墨烯粉末的粒径为0.5-5μm，亲水性表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮的分子量为45000；对混合物进行水浴加热，水浴加热的同时在超声震荡器内进行超声震荡，实现第一次物理分散，第一次物理分散时的水浴加热温度为65℃，超声震荡频率为22kHz；第一次物理分散后，保持水浴加热状态在磁力搅拌器内进行磁力搅拌，实现第二次物理分散，第二次物理分散时的水浴加热温度为80℃，磁力搅拌速度为600r/min；将悬浮液通过离心机进行离心分离，离心分离的转速为13000r/min，离心处理时间为2min，去除上层液体得到稠状石墨烯浆料，对取出浆料进行沥水处理；将铜基导电触头的电接触面进行等离子清洗，将石墨烯浆料均匀涂覆在铜基导电触头的电接触面上，石墨烯浆料涂覆在铜基导电触头的电接触面上的厚度为100μm，将铜基导电触头转移至真空干燥箱内进行干燥，真空干燥箱内的干燥温度为110℃，干燥时间为24h；将干燥后的铜基导电触头在保护气的作用下进行煅烧，煅烧温度为550℃，煅烧时间为1h，煅烧之后，在保护气的作用下将铜基导电触头的温度加热至700℃，将铜基导电触头装入热压模具内在真空状态下进行热压，热压模具中的压制头的温度为1083℃；保护气为Ar与H2的混合气，其中Ar体积占比为90％，H2体积占比为10％，压制头的压制压力为300Mpa，热压时间为10s；取出热压后的铜基导电触头置于真空箱内，通过Ar循环冷却，冷却过程中实时监测铜基导电触头；当铜基导电触头冷却至750℃，停止Ar循环，真空箱内抽真空，真空度为0.4个标准大气压，铜基导电触头在该环境下自然散热冷却；当铜基导电触头冷却至300℃时，真空箱通入Ar循环冷却，直至铜基导电触头的温度接近常温，最后取出铜基导电触头，铜基导电触头的电接触面上形成一层致密的石墨烯涂层。

实施例3：石墨烯粉末的质量百分含量为0.2％，亲水性表面活性剂的质量百分含量为0.4％，石墨烯浆料涂覆在铜基导电触头的电接触面上的厚度为10μm，其他步骤与实施例2相同。

实施例4：石墨烯粉末的质量百分含量为0.2％，亲水性表面活性剂的质量百分含量为2％，石墨烯浆料涂覆在铜基导电触头的电接触面上的厚度为100μm，其他步骤与实施例1相同。

实施例5：一种铜基导电触头改性方法，包括以下步骤：将石墨烯粉末、亲水性表面活性剂加入水中形成混合物，以混合物总质量计，石墨烯粉末的质量百分含量为0.15％，亲水性表面活性剂的质量百分含量为1％，石墨烯粉末的纯度≥99.5％,石墨烯粉末的粒径为0.5-5μm，亲水性表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮的分子量为40000；对混合物进行水浴加热，水浴加热的同时在超声震荡器内进行超声震荡，实现第一次物理分散，第一次物理分散时的水浴加热温度为60℃，超声震荡频率为20kHz；第一次物理分散后，保持水浴加热状态在磁力搅拌器内进行磁力搅拌，实现第二次物理分散，第二次物理分散时的水浴加热温度为75℃，磁力搅拌速度为450r/min；将悬浮液通过离心机进行离心分离，离心分离的转速为11500r/min，离心处理时间为3.5min，去除上层液体得到稠状石墨烯浆料，对取出浆料进行沥水处理；将铜基导电触头的电接触面进行等离子清洗，将石墨烯浆料均匀涂覆在铜基导电触头的电接触面上，石墨烯浆料涂覆在铜基导电触头的电接触面上的厚度为50μm，将铜基导电触头转移至真空干燥箱内进行干燥，真空干燥箱内的干燥温度为120℃，干燥时间为18h；将干燥后的铜基导电触头在保护气的作用下进行煅烧，煅烧温度为500℃，煅烧时间为2h，煅烧之后，在保护气的作用下将铜基导电触头的温度加热至800℃，将铜基导电触头装入热压模具内在真空状态下进行热压，热压模具中的压制头的温度为1070℃；保护气为Ar与H2的混合气，其中Ar体积占比为92.5％，H2体积占比为7.5％，压制头的压制压力为200Mpa，热压时间为7.5s；取出热压后的铜基导电触头置于真空箱内，通过Ar循环冷却，冷却过程中实时监测铜基导电触头；当铜基导电触头冷却至775℃，停止Ar循环，真空箱内抽真空，真空度为0.5个标准大气压，铜基导电触头在该环境下自然散热冷却；当铜基导电触头冷却至350℃时，真空箱通入Ar循环冷却，直至铜基导电触头的温度接近常温，最后取出铜基导电触头，铜基导电触头的电接触面上形成一层致密的石墨烯涂层。

对比例1：石墨烯粉末的质量百分含量为0.2％，不添加亲水性表面活性剂，其他步骤与实施例5相同。

对比例2：压制头未进行加热升温，压制头处于常温，其他步骤与实施例5相同。

通过上述实施例对铜基导电触头进行改性，得到改性后的铜基导电触头，对改性后的铜基导电触头导电触头进行表面硬度、表面接触电阻、200A电流下的带载上电次数、200A电流下的带载切断次数进行检测、试验，检测试验结果如小表所示：

对比例1中，由于缺少亲水性表面活性剂，石墨烯浆料中的石墨烯颗粒分散困难、分散不均匀，因此无法形成致密、稳定的石墨烯涂层，导致表面硬度低、表面接触电阻大，且200A电流下的带载上电次数试验时，10次就发生导电触头的电接触面粘接现象，即抗电弧侵蚀性弱；对比例2中，压制头未进行加热升温，压制过程中破坏了石墨烯涂层的结构，从而致表面硬度低、表面接触电阻大等不利影响。而通过实施例1-实施例5的改性方法对导电触头的电接触面进行改良后，能够在电接触面上形成一层均匀、致密的石墨烯涂层，从而使得表面硬度、表面接触电阻、导热性得到极大的改善，同时200A电流下的带载上电次数、200A电流下的带载切断次数都显著提高，即提高了抗电弧侵蚀；由此可见，通过实施例1-实施例5的改性方法改良后的导电触头的使用寿命、稳定性局显著提升。

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出的简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种铜基导电触头改性方法，其特征是，包括以下步骤：

a、将石墨烯粉末、亲水性表面活性剂加入水中形成混合物，以混合物总质量计，石墨烯粉末的质量百分含量为0.1％-0.2％，亲水性表面活性剂的质量百分含量为0.2％-2％；

b、对混合物进行水浴加热，在水浴加热的同时进行物理分散，得到悬浮液；

c、将悬浮液进行离心分离，去除上层液体得到稠状石墨烯浆料，对取出浆料进行沥水处理；

d、将铜基导电触头的电接触面进行等离子清洗，将石墨烯浆料均匀涂覆在铜基导电触头的电接触面上，将铜基导电触头转移至真空干燥箱内进行干燥；

e、将干燥后的铜基导电触头在保护气的作用下进行煅烧，煅烧温度为450℃-550℃，煅烧时间为1-3h；煅烧之后，在保护气的作用下将铜基导电触头的温度加热至700℃-900℃，将铜基导电触头装入热压模具内在真空状态下进行热压，热压模具中的压制头的温度为1050℃-1083℃；

f、取出热压后的铜基导电触头进行冷却，冷却后，铜基导电触头的电接触面上形成一层致密的石墨烯涂层。

2.根据权利要求1所述的一种铜基导电触头改性方法，其特征是，步骤b中，对混合物进行水浴加热的同时在超声震荡器内进行超声震荡，实现第一次物理分散；第一次物理分散后，保持水浴加热状态在磁力搅拌器内进行磁力搅拌，实现第二次物理分散。

3.根据权利要求2所述的一种铜基导电触头改性方法，其特征是，第一次物理分散时的水浴加热温度为55℃-65℃，超声震荡频率为18-22kHz；第二次物理分散时的水浴加热温度为65℃-80℃，磁力搅拌速度为300-600r/min。

4.根据权利要求1所述的一种铜基导电触头改性方法，其特征是，步骤a中，石墨烯粉末的纯度≥99.5％,石墨烯粉末的粒径为0.5-5μm。

5.根据权利要求1所述的一种铜基导电触头改性方法，其特征是，所述的亲水性表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮的分子量为35000-45000。

6.根据权利要求1所述的一种铜基导电触头改性方法，其特征是，步骤c中，悬浮液通过离心机离心处理，离心分离的转速为10000-13000r/min，离心处理时间为2-5min。

7.根据权利要求1所述的一种铜基导电触头改性方法，其特征是，步骤d中，石墨烯浆料涂覆在铜基导电触头的电接触面上的厚度为10-100μm；真空干燥箱内的干燥温度为110℃-130℃，干燥时间为12-24h。

8.根据权利要求1所述的一种铜基导电触头改性方法，其特征是，步骤e中的保护气为Ar与H2的混合气，其中Ar体积占比为90％-95％，H2体积占比为5％-10％。

9.根据权利要求1所述的一种铜基导电触头改性方法，其特征是，步骤e中，压制头的压制压力为100-300Mpa，热压时间为5-10s。

10.根据权利要求1所述的一种铜基导电触头改性方法，其特征是，步骤f中，热压后的铜基导电触头置于真空箱内，通过Ar循环冷却，冷却过程中实时监测铜基导电触头；当铜基导电触头冷却至750℃-800℃，停止Ar循环，真空箱内抽真空，真空度为0.4-0.6个标准大气压，铜基导电触头在该环境下自然散热冷却；当铜基导电触头冷却至300℃-400℃时，真空箱通入Ar循环冷却，直至铜基导电触头的温度接近常温，最后取出铜基导电触头。