CN110842207A - 一种纳米碳球改性铜基电接触材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米碳球改性铜基电接触材料的制备方法，本发明利用伪共沉淀的方法将间苯二酚‑甲醛树脂(前驱体)均匀分散在铜粉颗粒表面，在一定温度下将间苯二酚‑甲醛树脂原位碳化形成纳米碳球(CSs)，从而制备第二相均匀弥散分布的纳米碳球改性铜基电接触材料。本专利通过前驱体伪共沉淀方法不仅解决了碳铜复合材料中碳的团聚问题，更加实现了纳米碳球的均匀弥散分布的目的；通过热挤压—轧制—冲压等环节，实现了碳铜复合材料高效的致密化，并且进一步提高碳在铜基体中的均匀弥散程度，从而提高了电触头的微观组织性能以及服役性能。

Description

一种纳米碳球改性铜基电接触材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种电接触材料技术领域，特别涉及一种纳米碳球改性铜基电接触材料的制备方法。
背景技术
低压断路器用电接触元件，通常采用通过粉末冶金烧结法制备的铜基电接触材料。电接触元件在机械冲击磨损和局部电弧烧蚀等复杂载荷环境下服役，因而对电接触元件的耐机械磨损性能以及抗电弧烧蚀性能提出了很高的要求。
碳改性铜基(C/Cu)复合材料兼备铜基体优良的导热性、导电性、延展性，以及碳的热膨胀系数低、自润滑、耐磨损性能好等特点，因而具有良好的耐机械磨损性能以及抗电弧烧蚀性能，深受人们关注，已经被广泛应用于低压断路器中。但是传统粉末冶金烧结法制备的C/Cu触头材料基体中的第二相碳很容易出现团聚现象，降低了使用寿命；而且复合材料中孔隙的存在降低了材料的致密度和电导率。因此，C的团聚现象和孔隙的存在是影响C/Cu触头材料发展的两大难题。
目前，纳米技术飞速发展，通过纳米相改性铜基复合材料制备电接触元件的应用越来越多。但是纳米相具有较高的比表面积，材料表面能较高，因而纳米粉体具有强烈的团聚倾向以达到降低表面能的目的。所以，通过纳米相改性铜基复合材料在低压断路器中的主要发展障碍是，目前的工艺无法实现纳米相的有效分散。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种纳米碳球改性铜基电接触料的制备方法，本发明采用“前驱体伪共沉淀”方法与强变形及热处理相结合的复合工艺方式，实现纳米碳球在铜基体中的均匀弥散分布及复合材料微观组织结构、机械物理性能和电接触性能的调控。
具体采用如下的技术方案：
一种纳米碳球改性铜基电接触材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将配方用量40-60％的铜粉置于无水乙醇中搅拌，得到铜粉悬浊液；
(2)将一定量的间苯二酚-甲醛树脂超声分散在乙醇中，得到纳米碳球前驱体溶液；
(3)将得到的纳米碳球前驱体溶液加入到铜粉悬浊液中继续搅拌，直至无水乙醇挥发殆尽，得到混合粉体；
(4)将得到的混合粉体经过洗涤、干燥后，与配方剩余的铜粉进进行混合，经过压制成型、烧结，将烧结后的复合材料通过热挤压成板材，然后经过轧制、退火处理、冲压后得到触头元件，即为所述的纳米碳球改性铜基电接触材料。
进一步地，所述压制成型为在350-450Mpa下压制成型。
进一步地，所述烧结温度为950-970℃，所述烧结时间为0.2-0.8h。
进一步地，所述轧制的下料量为0.2mm，所述退火处理为440-460℃，保温0.2-1h。
本发明的有益效果是：
前驱体伪共沉淀方法解决了碳铜复合材料中碳的团聚问题，实现了纳米碳球的均匀弥散分布的目的；通过热挤压—轧制—冲压等环节，实现了碳铜复合材料高效的致密化，并且进一步提高了碳在铜基体中的均匀弥散程度，从而提高了电触头的微观组织性能以及服役性能。，本方法制备的电触头材料的相对密度、电导率和硬度值相对较高，接触电阻相对较低，优于传统的制备工艺。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下列实施例中未注明具体条件的实验方法们通常按照常规条件进行操作。除非另行定义，文中所述实用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。
实施例1一种纳米碳球改性铜基电接触材料的制备方法
包括以下步骤：
(1)将配方用量50％的铜粉(47.5g)置于50mL无水乙醇中搅拌，得到铜粉悬浊液；
(2)取10g间苯二酚-甲醛树脂超声分散在20mL乙醇中，得到纳米碳球前驱体溶液；
(3)将得到的纳米碳球前驱体溶液加入到铜粉悬浊液中继续搅拌，直至无水乙醇挥发殆尽，得到混合粉体；
(4)将得到的混合粉体与配方剩余的铜粉(47.5g)混合后，在400Mpa下压制成型、在965℃下烧结0.5h，将烧结后的复合材料通过热挤压成50x6mm的板材，然后经过轧制、退火处理(450℃，保温0.5h)、冲压后得到φ5×2mm触头元件，即为所述的纳米碳球改性铜基电接触材料。
得到的纳米碳球改性铜基电接触材料中碳的含量为5wt％。
实施例2一种纳米碳球改性铜基电接触材料的制备方法
包括以下步骤：
(1)将配方用量60％的铜粉(57g)置于50mL无水乙醇中搅拌，得到铜粉悬浊液；
(2)取10g间苯二酚-甲醛树脂超声分散在20mL乙醇中，得到纳米碳球前驱体溶液；
(3)将得到的纳米碳球前驱体溶液加入到铜粉悬浊液中继续搅拌，直至无水乙醇挥发殆尽，得到混合粉体；
(4)将得到的混合粉体与配方剩余的铜粉(38g)混合后，在350Mpa下压制成型、在950℃下烧结0.2h，将烧结后的复合材料通过热挤压成50x6mm的板材，然后经过轧制、退火处理(440℃，保温0.5h)、冲压后得到φ5×2mm触头元件，即为所述的纳米碳球改性铜基电接触材料。
实施例3一种纳米碳球改性铜基电接触材料的制备方法
包括以下步骤：
(1)将配方用量60％的铜粉(38g)置于50mL无水乙醇中搅拌，得到铜粉悬浊液；
(2)取10g间苯二酚-甲醛树脂超声分散在20mL乙醇中，得到纳米碳球前驱体溶液；
(3)将得到的纳米碳球前驱体溶液加入到铜粉悬浊液中继续搅拌，直至无水乙醇挥发殆尽，得到混合粉体；
(4)将得到的混合粉体与配方剩余的铜粉(57g)混合后，在450Mpa下压制成型、在970℃下烧结0.8h，将烧结后的复合材料通过热挤压成50x6mm的板材，然后经过轧制、退火处理(460℃，保温1h))、冲压后得到φ5×2mm触头元件，即为所述的纳米碳球改性铜基电接触材料。
对比例1一种铜-碳基电接触材料的制备方法
采用传统粉末冶金烧结工艺，将5g碳粉和95g铜粉采用球磨混粉，球磨钢珠直径3mm，球料比为2：1，球磨时间为4h；粉体成型压制压强为400Mpa，坯件烧结温度965℃，保温时间0.5h；烧结坯件采用两次复压，压制压强为1100MPa，中间退火温度为450℃，冲压后得到φ5×2mm触头元件。
得到的铜-碳基电接触材料中碳的含量为5wt％。
实验例
对传统粉末冶金烧结工艺(对比例1)与本专利原位合成工艺方法所制备两种电触头元件(实施例1)进行机械物理性能和电接触性能测试。对成品元件进行了相对密度d、电导率P、硬度HV、接触电阻RK测试，其测试结果如下表所示，表中所列数据为10次测量结果的平均值。
Figure BDA0002283601450000041
由表中可见，本方法制备触头的相对密度、电导率和硬度值相对较高，接触电阻相对较低。这些性能的提升都源自于第二相的均匀弥散分布以及孔隙率的降低。与现行工艺相比，本专利工艺可以提高低压断路器开关元件的可靠性和持久性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础；当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种纳米碳球改性铜基电接触材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将配方用量40-60％的铜粉置于无水乙醇中搅拌，得到铜粉悬浊液；
(2)将一定量的间苯二酚-甲醛树脂超声分散在乙醇中，得到纳米碳球前驱体溶液；
(3)将得到的纳米碳球前驱体溶液加入到铜粉悬浊液中继续搅拌，直至无水乙醇挥发殆尽，得到混合粉体；
(4)将得到的混合粉体经过洗涤、干燥后，与配方剩余的铜粉进进行混合，经过压制成型、烧结，将烧结后的复合材料通过热挤压成板材，然后经过轧制、退火处理、冲压后得到触头元件，即为所述的纳米碳球改性铜基电接触材料。
2.如权利要求1所述的纳米碳球改性铜基电接触材料的制备方法，其特征在于：所述压制成型为在350-450Mpa下压制成型。
3.如权利要求1所述的纳米碳球改性铜基电接触材料的制备方法，其特征在于：所述烧结温度为950-970℃，所述烧结时间为0.2-0.8h。
4.如权利要求1所述的纳米碳球改性铜基电接触材料的制备方法，其特征在于：所述轧制的下料量为0.2mm，所述退火处理为440-460℃，保温0.2-1h。
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