CN111394756A - 一种电接触材料的复合镀层及其制备方法 - Google Patents

一种电接触材料的复合镀层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高压开关真空断路器用电触头防护材料技术领域的一种电接触材料的复合镀层及其制备方法。本发明提供的铜/钨/石墨烯复合镀液，包括CuSO4·7H2O 40～150g/L，NH2CH2CH2NH2 20～120g/L，(NH4)4SO4 10～55g/L，Na2SO4·10H2O 10～55g/L，分散剂0.1～2g/L，纳米石墨烯片0.001～10g/L，钨粉10～40g/L。本发明提供的电接触材料的复合镀层，由所述的铜/钨/石墨烯复合镀液电沉积而成。本发明提供的铜/钨/石墨烯复合镀液，石墨烯具有高的导电性、导热性、比表面积以及优越的润滑和保护性能，铜具有十分优异的导电性能，钨具有较好的耐高温性能，由该复合镀液电沉积而成的铜/钨/石墨烯复合镀层具有优异的导电性、导热性和耐磨性，尤其是抗电弧烧蚀性能有很大的提高。

Description

一种电接触材料的复合镀层及其制备方法
技术领域
本发明涉及高压开关(≥500kV)真空断路器用电触头防护材料技术领域，具体涉及一种电接触材料的复合镀层及其制备方法。
背景技术
电触头材料在断路器中的功能是在电路中接通和断开电流。对高压断路器而言，理想的电触头材料须具有良好的导电、导热、耐磨性及抗电弧烧损等特性。自20世纪70年代研究出高压开关真空断路器触头材料CuCr体系和SF6断路器CuW体系合金材料，尚未出现新的商业化电触头材料。随着高压断路器向超高电压、大容量方向发展，对其内部的核心部件—弧触头提出了更高的要求。目前500kV及以上电压等级的高压大功率断路器应用的触头产品，在电寿命方面存在较大问题，导电性与强度难以很好兼顾，关合涌流会造成很严重的触头侵蚀。
为了满足更严峻、苛刻环境下的使用要求，新型高性能电触头材料，特别是具有优异抗电弧烧蚀性能的电触头材料的开发和研制具有重要意义。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种电接触材料的复合镀层及其制备方法。具体技术方案如下：
一种铜/钨/石墨烯复合镀液，包括如下成分：
CuSO4·7H2O 40～150g/L，NH2CH2CH2NH2 20～120g/L，(NH4)4SO4 10～55g/L，Na2SO4·10H2O 10～55g/L，分散剂0.1～2g/L，纳米石墨烯片0.001～10g/L，钨粉10～40g/L。
以所述分散剂的总重量计，所述分散剂包括十二烷基硫酸钠0.1wt％～10wt％、十二烷基苯磺酸钠0.1wt％～10wt％、醋酸乙酯0.1wt％～10wt％、乙酸异辛酯0.1wt％～5wt％和聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚0.2wt％～8wt％中的一种或两种以上，余量为蒸馏水。
所述纳米石墨烯片厚度为0.02-30nm，粒径为2～16μm，层数为1-30；
所述钨粉的纯度为99.9％，颗粒大小为10nm～200nm。
本发明还提供一种电接触材料的复合镀层，所述复合镀层由所述的铜/钨/石墨烯复合镀液电沉积而成。
一种电接触材料的复合镀层的制备方法，采用所述的铜/钨/石墨烯复合镀液对金属基体进行电沉积，即得所述复合镀层。
所述电沉积的条件为：
温度25～35℃，电流密度0.1～0.8A/dm2，磁力搅拌速度200～1000r/min，电沉积时间1～3h。
所述金属基体为铜、铜合金、镍或镍合金。
优选地，所述的制备方法，还包括对金属基体进行前处理：
将金属基体依次用800目、1000目的砂纸打磨，然后依次进行除油溶液浸泡、去离子水清洗、酸洗溶液浸泡和去离子水清洗；
所述除油溶液为含有50～100g/L NaOH的水溶液；所述除油溶液浸泡的时间为30～120min；
所述酸洗溶液为含有200～400g/L HNO3的水溶液；所述酸洗溶液浸泡的时间为10～60s。
优选地，所述的制备方法，还包括对电沉积后的金属基体依次进行去离子水洗涤、干燥、防变色处理剂浸渍、烘干和油封处理；
所述防变色处理剂为含有苯骈三氮唑0.01g/L、聚乙二醇45g/L的水溶液；所述防变色处理剂浸渍的时间为1～2min；
所述烘干的温度为70～80℃；
所述油封采用防锈油。
一种电接触材料，由金属基体和电接触材料的复合镀层组成，所述电接触材料的复合镀层由所述的铜/钨/石墨烯复合镀液电沉积而成。
本发明技术方案，具有如下优点：
1、本发明提供的铜/钨/石墨烯复合镀液，石墨烯具有高的导电性(电子传导率为8×105m/s)、导热性(5300W·m-1·K-1)、比表面积(理论比表面积为2600m2/g)以及优越的润滑和保护性能，铜具有十分优异的导电性能，钨具有较好的耐高温性能，由该复合镀液电沉积而成的铜/钨/石墨烯复合镀层具有优异的导电性、导热性和耐磨性，尤其是抗电弧烧蚀性能有很大的提高，镀层的真空击穿截流值分布稳定，随着石墨烯含量的增加，截流值逐渐降低，放电电流曲线逐渐稳定，抗电弧烧蚀性能超越铜钨合金。
本发明通过电沉积法制备的铜/钨/石墨烯复合镀层应用在电接触材料上可以有效延长电接触材料的使用寿命，并使其具有更加优异的使用性能。本发明的铜/钨/石墨烯复合镀层具有良好的结合力，达到国标GB/T 5270-2005的要求。
2、本发明电接触材料复合镀层的制备方法高效简便、成本低，制备过程对环境无污染。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例1
本实施例提供的一种铜/钨/石墨烯复合镀液，包括如下成分：
CuSO4·7H2O 100g/L，NH2CH2CH2NH2 100g/L，(NH4)4SO4 55g/L，Na2SO4·10H2O 55g/L，分散剂2g/L，纳米石墨烯片6g/L，钨粉30g/L。
上述分散剂包括十二烷基硫酸钠5wt％、十二烷基苯磺酸钠5.5wt％、醋酸乙酯4.6wt％、乙酸异辛酯3wt％、聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚6wt％、蒸馏水75.9wt％。
本实施例的电接触材料的复合镀层的制备方法，包括如下步骤：
称取配方量的十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、醋酸乙酯、乙酸异辛酯和聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚，将其分别混入蒸馏水中，配置成分散剂，备用。分散剂在复合镀液中浓度为2g/L。
称取配方量的CuSO4·7H2O、NH2CH2CH2NH2、(NH4)4SO4，将其混入蒸馏水中，然后加入配方量的片层为25、粒径为10μm、厚度为20nm的纳米石墨烯片，再加入配方量的分散剂、钨粉，利用磁力搅拌器在500r/min条件下搅拌40min，即得铜/钨/石墨烯复合镀液。备用。
配置70g/L的NaOH水溶液，作为除油溶液，备用。
配置300g/L的HNO3水溶液，作为酸洗溶液，备用。
阴极采用铜铬合金作为电镀的基材，阳极采用磷纯度为0.05％的电镀磷铜板。
用800目的砂纸对铜基体进行打磨，去除表面的毛刺、难容物、腐蚀痕和氧化皮后，再用1000目的砂纸打磨基材，将表面打磨光滑、平整，随后将打磨好的基材放入配置好的除油溶液中浸泡，进行强碱除油，30min后取出，用去离子水洗净，再浸泡于配置好的酸洗溶液中，20s后取出，用去离子水清洗干净。
将清洗干净的基体直接放入复合镀液中，在温度25℃，电流密度0.35A/dm2，磁力搅拌速度500r/min条件下电镀1h。
在电镀期间，配置含有苯骈三氮唑0.01g/L、聚乙二醇45g/L的水溶液，作为防变色处理剂，备用。
电镀结束后，将电镀件取出进行去离子水洗涤和干燥处理。在室温下，将干燥后的电镀件浸渍于防变色处理剂中1min，然后在70℃的烘箱中烘干，再用F20-1防锈油进行油封，即得电接触材料的复合镀层。
经检测，制备的电接触材料的复合镀层的厚度为18μm，石墨烯含量16％，热导率287.4W·m-1·K-1，在常温常压载荷为260g时的摩擦系数为0.4，维氏硬度大概为132HV。
实施例2
本实施例提供的一种铜/钨/石墨烯复合镀液，包括如下成分：
CuSO4·7H2O 100g/L，NH2CH2CH2NH2 100g/L，(NH4)4SO4 55g/L，Na2SO4·10H2O 55g/L，分散剂2g/L，纳米石墨烯片6g/L，钨粉35g/L。
上述分散剂包括十二烷基硫酸钠5wt％、十二烷基苯磺酸钠5.5wt％、醋酸乙酯4.6wt％、乙酸异辛酯3wt％、聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚6wt％、蒸馏水75.9wt％。
本实施例的电接触材料的复合镀层的制备方法，包括如下步骤：
称取配方量的十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、醋酸乙酯、乙酸异辛酯和聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚，将其分别混入蒸馏水中，配置成分散剂，备用。分散剂在复合镀液中浓度为2g/L。
称取配方量的CuSO4·7H2O、NH2CH2CH2NH2、(NH4)4SO4，将其混入蒸馏水中，然后加入配方量的片层为25、粒径为10μm、厚度为20nm的纳米石墨烯片，再加入配方量的分散剂、钨粉，利用磁力搅拌器在500r/min条件下搅拌40min，即得铜/钨/石墨烯复合镀液。备用。
配置70g/L的NaOH水溶液，作为除油溶液，备用。
配置300g/L的HNO3水溶液，作为酸洗溶液，备用。
阴极采用铜铬合金作为电镀的基材，阳极采用磷纯度为0.05％的电镀磷铜板。
用800目的砂纸对铜基体进行打磨，去除表面的毛刺、难容物、腐蚀痕和氧化皮后，再用1000目的砂纸打磨基材，将表面打磨光滑、平整，随后将打磨好的基材放入配置好的除油溶液中浸泡，进行强碱除油，30min后取出，用去离子水洗净，再浸泡于配置好的酸洗溶液中，20s后取出，用去离子水清洗干净。
将清洗干净的基体直接放入复合镀液中，在温度33℃，电流密度0.35A/dm2，磁力搅拌速度500r/min条件下电镀1h。
在电镀期间，配置含有苯骈三氮唑0.01g/L、聚乙二醇45g/L的水溶液，作为防变色处理剂，备用。
电镀结束后，将电镀件取出进行去离子水洗涤和干燥处理。在室温下，将干燥后的电镀件浸渍于防变色处理剂中1min，然后在70℃的烘箱中烘干，再用F20-1防锈油进行油封，即得电接触材料的复合镀层。
经检测，制备的电接触材料的复合镀层的厚度为16μm，石墨烯含量17％，热导率285.3W·m-1·K-1，在常温常压载荷为260g时的摩擦系数为0.35，维氏硬度大概为131HV。
实施例3
本实施例提供的一种铜/钨/石墨烯复合镀液，包括如下成分：
CuSO4·7H2O 100g/L，NH2CH2CH2NH2 100g/L，(NH4)4SO4 55g/L，Na2SO4·10H2O 55g/L，分散剂2g/L，纳米石墨烯片8g/L，钨粉35g/L。
上述分散剂包括十二烷基硫酸钠5wt％、十二烷基苯磺酸钠5.5wt％、醋酸乙酯4.6wt％、乙酸异辛酯3wt％、聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚6wt％、蒸馏水75.9wt％。
本实施例的电接触材料的复合镀层的制备方法，包括如下步骤：
称取配方量的十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、醋酸乙酯、乙酸异辛酯和聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚，将其分别混入蒸馏水中，配置成分散剂，备用。分散剂在复合镀液中浓度为2g/L。
称取配方量的CuSO4·7H2O、NH2CH2CH2NH2、(NH4)4SO4，将其混入蒸馏水中，然后加入配方量的片层为25、粒径为10μm、厚度为20nm的纳米石墨烯片，再加入配方量的分散剂、钨粉，利用磁力搅拌器在500r/min条件下搅拌40min，即得铜/钨/石墨烯复合镀液。备用。
配置70g/L的NaOH水溶液，作为除油溶液，备用。
配置300g/L的HNO3水溶液，作为酸洗溶液，备用。
阴极采用铜铬合金作为电镀的基材，阳极采用磷纯度为0.05％的电镀磷铜板。
用800目的砂纸对铜基体进行打磨，去除表面的毛刺、难容物、腐蚀痕和氧化皮后，再用1000目的砂纸打磨基材，将表面打磨光滑、平整，随后将打磨好的基材放入配置好的除油溶液中浸泡，进行强碱除油，30min后取出，用去离子水洗净，再浸泡于配置好的酸洗溶液中，20s后取出，用去离子水清洗干净。
将清洗干净的基体直接放入复合镀液中，在温度27℃，电流密度0.35A/dm2，磁力搅拌速度500r/min条件下电镀1h。
在电镀期间，配置含有苯骈三氮唑0.01g/L、聚乙二醇45g/L的水溶液，作为防变色处理剂，备用。
电镀结束后，将电镀件取出进行去离子水洗涤和干燥处理。在室温下，将干燥后的电镀件浸渍于防变色处理剂中1min，然后在70℃的烘箱中烘干，再用F20-1防锈油进行油封，即得电接触材料的复合镀层。
经检测，制备的电接触材料的复合镀层的厚度为14μm，石墨烯含量14％，热导率280.2W·m-1·K-1，在常温常压载荷为260g时的摩擦系数为0.2，维氏硬度大概为126HV。
实施例4
本实施例提供的一种铜/钨/石墨烯复合镀液，包括如下成分：
CuSO4·7H2O 40g/L，NH2CH2CH2NH2 120g/L，(NH4)4SO4 10g/L，Na2SO4·10H2O 10g/L，分散剂1g/L，纳米石墨烯片10g/L，钨粉40g/L。
上述分散剂包括十二烷基硫酸钠0.1wt％、十二烷基苯磺酸钠10wt％、醋酸乙酯10wt％、乙酸异辛酯0.1wt％、聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚8wt％、蒸馏水71.8wt％。
本实施例的电接触材料的复合镀层的制备方法，包括如下步骤：
称取配方量的十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、醋酸乙酯、乙酸异辛酯和聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚，将其分别混入蒸馏水中，配置成分散剂，备用。分散剂在复合镀液中浓度为2g/L。
称取配方量的CuSO4·7H2O、NH2CH2CH2NH2、(NH4)4SO4，将其混入蒸馏水中，然后加入配方量的片层为1、粒径为16μm、厚度为30nm的纳米石墨烯片，再加入配方量的分散剂、钨粉，利用磁力搅拌器在500r/min条件下搅拌40min，即得铜/钨/石墨烯复合镀液。备用。
配置70g/L的NaOH水溶液，作为除油溶液，备用。
配置300g/L的HNO3水溶液，作为酸洗溶液，备用。
阴极采用铜铬合金作为电镀的基材，阳极采用磷纯度为0.05％的电镀磷铜板。
用800目的砂纸对铜基体进行打磨，去除表面的毛刺、难容物、腐蚀痕和氧化皮后，再用1000目的砂纸打磨基材，将表面打磨光滑、平整，随后将打磨好的基材放入配置好的除油溶液中浸泡，进行强碱除油，30min后取出，用去离子水洗净，再浸泡于配置好的酸洗溶液中，20s后取出，用去离子水清洗干净。
将清洗干净的基体直接放入复合镀液中，在温度25℃，电流密度0.1A/dm2，磁力搅拌速度1000r/min条件下电镀3h。
在电镀期间，配置含有苯骈三氮唑0.01g/L、聚乙二醇45g/L的水溶液，作为防变色处理剂，备用。
电镀结束后，将电镀件取出进行去离子水洗涤和干燥处理。在室温下，将干燥后的电镀件浸渍于防变色处理剂中1min，然后在70℃的烘箱中烘干，再用F20-1防锈油进行油封，即得电接触材料的复合镀层。
经检测，制备的电接触材料的复合镀层的厚度为8μm，石墨烯含量8％，热导率211.5W·m-1·K-1，在常温常压载荷为260g时的摩擦系数为0.17，维氏硬度大概为106HV。
实施例5
本实施例提供的一种铜/钨/石墨烯复合镀液，包括如下成分：
CuSO4·7H2O 150g/L，NH2CH2CH2NH2 20g/L，(NH4)4SO4 45g/L，Na2SO4·10H2O 45g/L，分散剂0.1g/L，纳米石墨烯片2g/L，钨粉10g/L。
上述分散剂包括十二烷基硫酸钠10wt％、十二烷基苯磺酸钠0.1wt％、醋酸乙酯0.1wt％、乙酸异辛酯5wt％、聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚0.2wt％、蒸馏水84.6wt％。
本实施例的电接触材料的复合镀层的制备方法，包括如下步骤：
称取配方量的十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、醋酸乙酯、乙酸异辛酯和聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚，将其分别混入蒸馏水中，配置成分散剂，备用。分散剂在复合镀液中浓度为2g/L。
称取配方量的CuSO4·7H2O、NH2CH2CH2NH2、(NH4)4SO4，将其混入蒸馏水中，然后加入配方量的片层为30、粒径为2μm、厚度为0.02nm的纳米石墨烯片，再加入配方量的分散剂、钨粉，利用磁力搅拌器在500r/min条件下搅拌40min，即得铜/钨/石墨烯复合镀液。备用。
配置70g/L的NaOH水溶液，作为除油溶液，备用。
配置300g/L的HNO3水溶液，作为酸洗溶液，备用。
阴极采用铜铬合金作为电镀的基材，阳极采用磷纯度为0.05％的电镀磷铜板。
用800目的砂纸对铜基体进行打磨，去除表面的毛刺、难容物、腐蚀痕和氧化皮后，再用1000目的砂纸打磨基材，将表面打磨光滑、平整，随后将打磨好的基材放入配置好的除油溶液中浸泡，进行强碱除油，30min后取出，用去离子水洗净，再浸泡于配置好的酸洗溶液中，20s后取出，用去离子水清洗干净。
将清洗干净的基体直接放入复合镀液中，在温度35℃，电流密度0.8A/dm2，磁力搅拌速度200r/min条件下电镀2h。
在电镀期间，配置含有苯骈三氮唑0.01g/L、聚乙二醇45g/L的水溶液，作为防变色处理剂，备用。
电镀结束后，将电镀件取出进行去离子水洗涤和干燥处理。在室温下，将干燥后的电镀件浸渍于防变色处理剂中1min，然后在70℃的烘箱中烘干，再用F20-1防锈油进行油封，即得电接触材料的复合镀层。
经检测，制备的电接触材料的复合镀层的厚度为10μm，石墨烯含量10％，热导率232.6W·m-1·K-1，在常温常压载荷为260g时的摩擦系数为0.19，维氏硬度大概为112HV。
上述实施例1-5制备的电接触材料的复合镀层具有良好的结合力，达到国标GB/T5270-2005的要求。复合镀层具有优异的抗电弧烧蚀性能，铜/钨/石墨烯复合镀层的真空击穿截流值分布稳定，随着石墨烯含量的增加，截流值逐渐降低，放电电流曲线逐渐稳定，抗电弧烧蚀性能超越铜钨合金。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种铜/钨/石墨烯复合镀液，包括如下成分：
CuSO4·7H2O 40～150g/L，NH2CH2CH2NH2 20～120g/L，(NH4)4SO4 10～55g/L，Na2SO4·10H2O 10～55g/L，分散剂0.1～2g/L，纳米石墨烯片0.001～10g/L，钨粉10～40g/L。
2.根据权利要求1所述的铜/钨/石墨烯复合镀液，其特征在于，以所述分散剂的总重量计，所述分散剂包括十二烷基硫酸钠0.1wt％～10wt％、十二烷基苯磺酸钠0.1wt％～10wt％、醋酸乙酯0.1wt％～10wt％、乙酸异辛酯0.1wt％～5wt％和聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚0.2wt％～8wt％中的一种或两种以上，余量为蒸馏水。
3.根据权利要求1或2所述的铜/钨/石墨烯复合镀液，其特征在于，所述纳米石墨烯片厚度为0.02-30nm，粒径为2～16μm，层数为1-30；
所述钨粉的纯度为99.9％，颗粒大小为10nm～200nm。
4.一种电接触材料的复合镀层，其特征在于，所述复合镀层由权利要求1-3任一项所述的铜/钨/石墨烯复合镀液电沉积而成。
5.一种电接触材料的复合镀层的制备方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的铜/钨/石墨烯复合镀液对金属基体进行电沉积，即得所述复合镀层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述电沉积的条件为：
温度25～35℃，电流密度0.1～0.8A/dm2，磁力搅拌速度200～1000r/min，电沉积时间1～3h。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述金属基体为铜、铜合金、镍或镍合金。
8.根据权利要求5-7任一项所述的制备方法，其特征在于，还包括对金属基体进行前处理：
将金属基体依次用800目、1000目的砂纸打磨，然后依次进行除油溶液浸泡、去离子水清洗、酸洗溶液浸泡和去离子水清洗；
所述除油溶液为含有50～100g/L NaOH的水溶液；所述除油溶液浸泡的时间为30～120min；
所述酸洗溶液为含有200～400g/L HNO3的水溶液；所述酸洗溶液浸泡的时间为10～60s。
9.根据权利要求5-8任一项所述的制备方法，其特征在于，还包括对电沉积后的金属基体依次进行去离子水洗涤、干燥、防变色处理剂浸渍、烘干和油封处理；
所述防变色处理剂为含有苯骈三氮唑0.01g/L、聚乙二醇45g/L的水溶液。
10.一种电接触材料，由金属基体和电接触材料的复合镀层组成，其特征在于，所述电接触材料的复合镀层由权利要求1-3任一项所述的铜/钨/石墨烯复合镀液电沉积而成。
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