CN115386763B - 一种TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料及其制备方法 - Google Patents

一种TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电触头材料的技术领域，公开了一种TiC‑Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料及其制备方法，按质量百分比计，所述触头材料的原料包括：碳化钛0.5~1.5%、氧化钇0.1~1%、钨10~25%、铬1~10%、钼0.5~5%、石墨烯包覆铜57.5~87.9%。本发明以石墨烯包覆铜为基材，以W、Cr、Mo为第二相，以TiC和Y2O3为弥散陶瓷增强相，能够有效降低第二相金属及陶瓷增强相的加入引起的晶格畸变程度，界面结合性和分散均匀性更好；该触头材料能够同时兼具高导电性、高强度、低截流值、优异的耐磨性、良好的抗电弧侵蚀性和抗熔焊性等优点，具有很大的发展前景，且易于工业化生产。

Description

一种TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及电触头材料的技术领域，尤其涉及一种TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料及其制备方法。
背景技术
电触头材料是电器开关的核心组件和关键材料，具有接通、断路及负载电流的作用，其工艺性能对仪器设备稳定、可靠的运行产生至关重要的影响。电触头的开断和闭合过程会伴随有局部高温、熔焊、磨损以及电弧放电等多种物理化学作用，因此要求触头材料具备优异的电流开断能力、耐压能力、抗熔焊性、耐磨性、机械强度和加工性能以及较小的接触电阻和截断电流。目前，电触头材料主要包括银基触头材料、铜基触头材料和贵/廉金属合金触头材料，但这几类触头材料难以很好地兼顾导电性、强度、耐磨、耐烧蚀等性能。
石墨烯是一种高强高导电的二维材料，具有超大的比表面积、极高的载流子迁移率(≥ 15000cm2·V-1·s-1)和热导率(～5150W·m-1·K-1)，被认为是理想的铜基触头的增强材料，在铜基触头材料的性能改善研究中得到广泛的关注。
公开号为CN105525132A、CN105385883A、CN105551839A、CN105483422A以及CN105603247A的中国发明专利均以球磨石墨烯-铜复合粉末为原料，通过粉末冶金制备铜基触头，由于石墨烯与铜的密度差别极大，且石墨烯本身易团聚，铜基体中石墨烯分散均匀性差，严重影响触头性能。
公开号为CN105551839A的中国发明专利公开了一种镀铜石墨烯/铜基电触头材料及其制备方法。电触头材料包括重量含量为0.1-2.0％的镀铜石墨烯和98.0-99.9％的铜-稀土合金，稀土占铜-稀土合金的重量比为0.03-3.0％。该电触头材料具有较高的导电率，但抗拉强度较低。
公开号为CN106498209A的中国发明专利公开了一种掺杂石墨烯钨铜合金的制备方法, 具体为：将铜粉、钨粉和镀镍石墨烯粉混合，压制成型，然后进行高温液相溶渗烧结，即得到掺杂石墨烯钨铜合金。该掺杂石墨烯钨铜合金具有较高的强度和硬度，但导电率偏低。
发明内容
为了解决电触头材料难以很好地兼顾导电性、强度、耐磨、耐烧蚀等性能的技术问题，本发明提供了一种TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料及其制备方法，以石墨烯包覆铜为基材，以钨、铬、钼为第二相，以碳化钛和氧化钇为弥散陶瓷增强相，改善石墨烯团聚现象以及界面结合性，使得触头材料具备高导电性的同时，兼具高强度、高硬度以及优异的耐磨性和耐烧蚀性。
本发明的具体技术方案为：
第一方面，本发明提供了一种TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料，按质量百分比计，所述触头材料的原料包括：碳化钛0.5～1.5％、氧化钇0.1～1％、钨10～25％、铬1～10％、钼0.5～5％、石墨烯包覆铜57.5～87.9％。
本发明中触头材料以石墨烯包覆铜(GR-Cu)为基材，以钨(W)、铬(Cr)、钼(Mo) 为第二相，以碳化钛(TiC)和氧化钇(Y2O3)为弥散陶瓷增强相。基材中铜主要提供导电性、导热性以及塑韧性，石墨烯提高触头材料的屈服强度和抗拉强度，增大弹性模量。第二相金属元素主要改善触头的综合性能，其中，W改善触头的抗熔焊性能和提高抗电弧侵蚀能力； Cr改善材料润湿性，降低截流值；Mo细化晶粒，提高抗电压强度。陶瓷增强相主要提供强度和硬度，其添加量少且弥散分布在基材颗粒表面，对触头导电性能的影响较小。TiC钉扎晶界和亚晶界从而抑制动态再结晶的形核，提高抗高温变形能力；Y2O3抑制晶粒长大，同时在电接触过程中抑制熔融铜液流动从而减少液滴喷溅，提高抗电弧侵蚀能力。
作为优选，所述原料均为粉末状；所述钨、铬、钼、石墨烯包覆铜的粉末粒径为20～150 μm，粉末形貌为球形、树枝形或不规则形状中的一种，纯度不低于99.5％；所述碳化钛、氧化钇的粉末粒径为0.1～5μm，粉末形貌为球形，纯度不低于99.9％。
作为优选，所述石墨烯包覆铜的制备方法包括如下步骤：以碳源气体为碳原料载体，利用化学气相沉积法在铜粉表面原位生长石墨烯薄膜，得到石墨烯包覆铜。
作为优选，所述碳源气体为甲烷气体；所述化学气相沉积法的参数条件为：设置射频功率为100～250W，在压强为500～900Pa、温度为400～800℃的条件下进行沉积，沉积1～8min。
第二方面，本发明还提供了一种上述TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、混料：将各原料按质量百分比进行配比，取钨、铬、钼和石墨烯包覆铜进行球磨，之后加入碳化钛、氧化钇进行混料，得混合粉末；
S2、模压烧结：将混合粉末进行模压成型，之后无氧烧结，得触头预毛坯；
S3、时效热处理：将触头预毛坯在真空下进行热处理，得触头毛坯；
S4、后加工：将触头毛坯进行表面精修加工，得到触头材料。
本发明提供的触头材料界面结合良好，具有较高的抗拉强度(≥450MPa)，高硬度(≥160HB)，低的电阻率(≤2.3μΩ·cm)，高致密度(≥98.5％)，优异的抗电弧侵蚀性和抗熔焊性等，能够较好的满足触头材料在苛刻环境中的服役要求，具有广泛的发展前景。
通过以石墨烯包覆铜为基材，避免了石墨烯团聚以及在铜基体中的分散均匀性差的问题，并通过球磨处理将表面石墨烯部分嵌入铜粉内部，使得铜粉表面局部覆盖石墨烯，克服了石墨烯包覆铜粉的烧结成型性差的问题。钨、钼、铬金属粉末与石墨烯包覆铜一同进行球磨，目的是实现机械合金化，有助于烧结，提升烧结强度，而且，金属粉末在铜基质中也有固熔强化和析出强化的作用，能够辅助细化晶粒，因而金属粉末的共同球磨有助于石墨烯部分嵌入铜粉内部的同时，其自身也能够部分嵌入铜粉内部并与石墨烯形成更好的嵌合作用，提升结合性，烧结强化作用更佳。陶瓷相未加入球磨是为了防止硬质陶瓷颗粒将石墨烯包覆铜表面的石墨烯破坏剥落掉，不利于烧结。采用TiC和Y2O3作为陶瓷相，这两种组分间能够起到相辅相成的作用，控制组分配比以平衡抑制再结晶形核作用和形核后抑制晶粒长大作用，使得晶粒细化程度更明显，晶粒细化有助于兼顾导电性以及高强度、高硬度、耐磨、耐烧蚀等性能。
接着，对原料进行时效热处理，能够有效降低第二相金属及陶瓷增强相的加入引起的晶格畸变程度，同时使第二相金属颗粒更加均匀的分布在铜基体中，大幅度提升材料的导电率。该制备工艺操作简单、生产效率高、环保无污染，易于工业化生产。
作为优选，S1中，所述球磨为：球料质量比10～75：1，转速300～1500r/min，球磨时间5～50h；所述混料为在氩气气氛下进行混料，混料时间为0.5～5h。
球磨的各工艺参数影响粉末间嵌入性以及机械合金化效果，在该限定范围下的粉末结合性和分散均匀性更好，且晶格畸变程度影响更小，烧结强化作用更佳。
作为优选，S2中，所述模压成型的压制压力500～1000MPa。
作为优选，S2中，所述烧结为：以氩气或氢气为保护气氛，由室温以15～40℃/min的升温速率升温至500℃，再以1～10℃/min的升温速率升温至850～1050℃，保温0.5～2h。
原料的球磨和混料过程有助于粉末间的结合性以及分散均匀性，因而可实现烧结前期的快速升温，提升烧结效率。烧结后期的慢速升温是为了满足晶粒生长动力学需求，配合晶粒生长过程中的抑制再结晶形核作用和形核后抑制晶粒长大作用，使得晶粒细化程度更明显，同时避免在高温阶段升温速率过快产生应力。
作为优选，S3中，所述真空的真空度为1×10-2～5×10-4Pa。
作为优选，S3中，所述热处理为：以5～15℃/min的升温速率升温至350～550℃，保温 1～4h。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)本发明中触头材料以石墨烯包覆铜(GR-Cu)为基材，以W、Cr、Mo为第二相，以TiC 和Y2O3为弥散陶瓷增强相，能够有效降低第二相金属及陶瓷增强相的加入引起的晶格畸变程度，界面结合性和分散均匀性更好；
(2)该触头材料能够同时兼具高导电性、高强度、低截流值、优异的耐磨性、良好的抗电弧侵蚀性和抗熔焊性等优点，综合性能明显提高，能够迎合大功率触头市场的需求，具有很大的发展前景，且易于工业化生产。
附图说明
图1为本发明中TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料的SEM图；
图2为本发明中石墨烯包覆铜材料的SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。在本发明中所涉及的装置、连接结构和方法，若无特指，均为本领域公知的装置、连接结构和方法。
一种TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料，按质量百分比计，该触头材料的原料包括：碳化钛(TiC)粉0.5～1.5％、氧化钇(Y2O3)粉0.1～1％、钨(W)粉10～25％、铬(Cr)粉1～10％、钼(Mo)粉0.5～5％、石墨烯包覆铜(GR-Cu)粉57.5～87.9％。
表1不同原料配比的触头材料
原料组成 GR-Cu W Cr Mo TiC Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
配比1 97.8％ - - - 1.2％ 1％
配比2 72.5％ 20％ 5％ 2.5％ - -
配比3 70.8％ 20％ 5％ 2.5％ 1.2％ 0.5％
配比4 69.75％ 17.5％ 7.5％ 3.5％ 0.75％ 1％
配比5 65.7％ 25％ 5％ 2.5％ 1％ 0.8％
配比6 65.65％ 21.5％ 8％ 3％ 1.1％ 0.75％
配比7 63.5％ 20％ 10％ 5％ 1％ 0.5％
配比8 70.8％ 20％ 5％ 2.5％ 1.7％ 0.5％
实施例1
1.石墨烯包覆铜的制备方法包括如下步骤：
将铜粉置于化学气相沉积真空装置中，通入甲烷和氢气、氩气的混合气(甲烷、氢气、氩气的体积比为1：3：10)，利用化学气相沉积法在铜粉表面原位生长石墨烯薄膜，设置射频功率为150W，在压强为600Pa、温度为750℃的条件下进行沉积，沉积8min，之后冷却，得到石墨烯包覆铜，如图2所示为石墨烯包覆铜材料的SEM图。
2.TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料的制备方法包括如下步骤：
S1、混料：按表1中配比1、配比2、配比3中质量百分比将各原料进行配比，取钨、铬、钼和石墨烯包覆铜置于真空球磨罐中，充入氩气保护后进行球磨，球料质量比15：1，转速550 r/min，球磨8h；之后在球磨粉末中加入碳化钛、氧化钇，将其置于行星混料机中，先抽真空再充入氩气，保持混料罐内的压强与外界大气压一致，混料1.5h，得混合粉末；其中，钨、铬、钼、石墨烯包覆铜的平均粉末粒径为100μm，碳化钛、氧化钇的平均粉末粒径为4μm；
S2、模压烧结：将混合粉末在模压机中在750MPa的压制压力下模压成型，之后无氧烧结，以氩气为保护气氛，由室温以20℃/min的升温速率升温至500℃，再以7.5℃/min的升温速率升温至900℃，保温1h后随炉冷却，得触头预毛坯；
S3、时效热处理：将触头预毛坯置于真空炉中，设置真空度为3.3×10-4Pa进行热处理，以 10℃/min的升温速率升温至500℃，保温3h，得触头毛坯；
S4、后加工：将触头毛坯进行表面精修加工，得到触头材料，如图1所示为该触头材料的SEM 图。
实施例2
1.石墨烯包覆铜的制备方法包括如下步骤：
将铜粉置于化学气相沉积真空装置中，通入甲烷和氢气、氩气的混合气(甲烷、氢气、氩气的体积比为1：3：10)，利用化学气相沉积法在铜粉表面原位生长石墨烯薄膜，设置射频功率为150W，在压强为600Pa、温度为750℃的条件下进行沉积，沉积8min，之后冷却，得到石墨烯包覆铜。
2.TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料的制备方法包括如下步骤：
S1、混料：按表1中配比1、配比2、配比4中质量百分比将各原料进行配比，取钨、铬、钼和石墨烯包覆铜置于真空球磨罐中，充入氩气保护后进行球磨，球料质量比20：1，转速700 r/min，球磨10h；之后在球磨粉末中加入碳化钛、氧化钇，将其置于行星混料机中，先抽真空再充入氩气，保持混料罐内的压强与外界大气压一致，混料1h，得混合粉末；其中，钨、铬、钼、石墨烯包覆铜的平均粉末粒径为120μm，碳化钛、氧化钇的平均粉末粒径为3μm；
S2、模压烧结：将混合粉末在模压机中在800MPa的压制压力下模压成型，之后无氧烧结，以氩气为保护气氛，由室温以20℃/min的升温速率升温至500℃，再以5℃/min的升温速率升温至950℃，保温1.25h后随炉冷却，得触头预毛坯；
S3、时效热处理：将触头预毛坯置于真空炉中，设置真空度为5×10-3Pa进行热处理，以 15℃/min的升温速率升温至550℃，保温2.5h，得触头毛坯；
S4、后加工：将触头毛坯进行表面精修加工，得到触头材料。
实施例3
1.石墨烯包覆铜的制备方法包括如下步骤：
将铜粉置于化学气相沉积真空装置中，通入甲烷和氢气、氩气的混合气(甲烷、氢气、氩气的体积比为1：3：10)，利用化学气相沉积法在铜粉表面原位生长石墨烯薄膜，设置射频功率为150W，在压强为600Pa、温度为750℃的条件下进行沉积，沉积8min，之后冷却，得到石墨烯包覆铜。
2.TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料的制备方法包括如下步骤：
S1、混料：按表1中配比1、配比2、配比5中质量百分比将各原料进行配比，取钨、铬、钼和石墨烯包覆铜置于真空球磨罐中，充入氩气保护后进行球磨，球料质量比15：1，转速600 r/min，球磨15h；之后在球磨粉末中加入碳化钛、氧化钇，将其置于行星混料机中，先抽真空再充入氩气，保持混料罐内的压强与外界大气压一致，混料2h，得混合粉末；其中，钨、铬、钼、石墨烯包覆铜的平均粉末粒径为100μm，碳化钛、氧化钇的平均粉末粒径为3μm；
S2、模压烧结：将混合粉末在模压机中在760MPa的压制压力下模压成型，之后无氧烧结，以氩气为保护气氛，由室温以20℃/min的升温速率升温至500℃，再以5℃/min的升温速率升温至900℃，保温1.5h后随炉冷却，得触头预毛坯；
S3、时效热处理：将触头预毛坯置于真空炉中，设置真空度为5×10-3Pa进行热处理，以 15℃/min的升温速率升温至450℃，保温4h，得触头毛坯；
S4、后加工：将触头毛坯进行表面精修加工，得到触头材料。
实施例4
1.石墨烯包覆铜的制备方法包括如下步骤：
将铜粉置于化学气相沉积真空装置中，通入甲烷和氢气、氩气的混合气(甲烷、氢气、氩气的体积比为1：3：10)，利用化学气相沉积法在铜粉表面原位生长石墨烯薄膜，设置射频功率为150W，在压强为600Pa、温度为750℃的条件下进行沉积，沉积8min，之后冷却，得到石墨烯包覆铜。
2.TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料的制备方法包括如下步骤：
S1、混料：按表1中配比1、配比2、配比6中质量百分比将各原料进行配比，取钨、铬、钼和石墨烯包覆铜置于真空球磨罐中，充入氩气保护后进行球磨，球料质量比20：1，转速750 r/min，球磨10h；之后在球磨粉末中加入碳化钛、氧化钇，将其置于行星混料机中，先抽真空再充入氩气，保持混料罐内的压强与外界大气压一致，混料1.5h，得混合粉末；其中，钨、铬、钼、石墨烯包覆铜的平均粉末粒径为85μm，碳化钛、氧化钇的平均粉末粒径为3μm；
S2、模压烧结：将混合粉末在模压机中在780MPa的压制压力下模压成型，之后无氧烧结，以氩气为保护气氛，由室温以20℃/min的升温速率升温至500℃，再以8℃/min的升温速率升温至1000℃，保温1h后随炉冷却，得触头预毛坯；
S3、时效热处理：将触头预毛坯置于真空炉中，设置真空度为3.3×10-4Pa进行热处理，以 15℃/min的升温速率升温至500℃，保温3h，得触头毛坯；
S4、后加工：将触头毛坯进行表面精修加工，得到触头材料。
实施例5
1.石墨烯包覆铜的制备方法包括如下步骤：
将铜粉置于化学气相沉积真空装置中，通入甲烷和氢气、氩气的混合气(甲烷、氢气、氩气的体积比为1：3：10)，利用化学气相沉积法在铜粉表面原位生长石墨烯薄膜，设置射频功率为150W，在压强为600Pa、温度为750℃的条件下进行沉积，沉积8min，之后冷却，得到石墨烯包覆铜。
2.TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料的制备方法包括如下步骤：
S1、混料：按表1中配比1、配比2、配比7中质量百分比将各原料进行配比，取钨、铬、钼和石墨烯包覆铜置于真空球磨罐中，充入氩气保护后进行球磨，球料质量比25：1，转速600 r/min，球磨7.5h；之后在球磨粉末中加入碳化钛、氧化钇，将其置于行星混料机中，先抽真空再充入氩气，保持混料罐内的压强与外界大气压一致，混料2h，得混合粉末；其中，钨、铬、钼、石墨烯包覆铜的平均粉末粒径为100μm，碳化钛、氧化钇的平均粉末粒径为3μm；
S2、模压烧结：将混合粉末在模压机中在850MPa的压制压力下模压成型，之后无氧烧结，以氩气为保护气氛，由室温以20℃/min的升温速率升温至500℃，再以8℃/min的升温速率升温至980℃，保温2h后随炉冷却，得触头预毛坯；
S3、时效热处理：将触头预毛坯置于真空炉中，设置真空度为3.3×10-4Pa进行热处理，以 15℃/min的升温速率升温至530℃，保温3.5h，得触头毛坯；
S4、后加工：将触头毛坯进行表面精修加工，得到触头材料。
对比例1
与实施例1的区别在于：陶瓷相为二硼化钛和氧化钇。
TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料的制备方法包括如下步骤：
S1、混料：按表1中配比3中质量百分比将各原料进行配比(将二硼化钛替代碳化钛)，取钨、铬、钼和石墨烯包覆铜置于真空球磨罐中，充入氩气保护后进行球磨，球料质量比15：1，转速550r/min，球磨8h；之后在球磨粉末中加入二硼化钛、氧化钇，将其置于行星混料机中，先抽真空再充入氩气，保持混料罐内的压强与外界大气压一致，混料1.5h，得混合粉末；其中，钨、铬、钼、石墨烯包覆铜的平均粉末粒径为100μm，二硼化钛、氧化钇的平均粉末粒径为4μm；
S2、模压烧结：将混合粉末在模压机中在750MPa的压制压力下模压成型，之后无氧烧结，以氩气为保护气氛，由室温以20℃/min的升温速率升温至500℃，再以7.5℃/min的升温速率升温至900℃，保温1h后随炉冷却，得触头预毛坯；
S3、时效热处理：将触头预毛坯置于真空炉中，设置真空度为3.3×10-4Pa进行热处理，以 10℃/min的升温速率升温至500℃，保温3h，得触头毛坯；
S4、后加工：将触头毛坯进行表面精修加工，得到触头材料。
对比例2
与实施例1的区别在于：陶瓷相为碳化钛和二氧化硅。
TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料的制备方法包括如下步骤：
S1、混料：按表1中配比3中质量百分比将各原料进行配比(将二氧化硅替代氧化钇)，取钨、铬、钼和石墨烯包覆铜置于真空球磨罐中，充入氩气保护后进行球磨，球料质量比15：1，转速550r/min，球磨8h；之后在球磨粉末中加入碳化钛、二氧化硅，将其置于行星混料机中，先抽真空再充入氩气，保持混料罐内的压强与外界大气压一致，混料1.5h，得混合粉末；其中，钨、铬、钼、石墨烯包覆铜的平均粉末粒径为100μm，碳化钛、二氧化硅的平均粉末粒径为4μm；
S2、模压烧结：将混合粉末在模压机中在750MPa的压制压力下模压成型，之后无氧烧结，以氩气为保护气氛，由室温以20℃/min的升温速率升温至500℃，再以7.5℃/min的升温速率升温至900℃，保温1h后随炉冷却，得触头预毛坯；
S3、时效热处理：将触头预毛坯置于真空炉中，设置真空度为3.3×10-4Pa进行热处理，以 10℃/min的升温速率升温至500℃，保温3h，得触头毛坯；
S4、后加工：将触头毛坯进行表面精修加工，得到触头材料。
对比例3
与实施例1的区别在于：碳化钛、氧化钇的比例超过限定范围，碳化钛添加过多。
TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料的制备方法包括如下步骤：
S1、混料：按表1中配比8中质量百分比将各原料进行配比，取钨、铬、钼和石墨烯包覆铜置于真空球磨罐中，充入氩气保护后进行球磨，球料质量比15：1，转速550r/min，球磨8h；之后在球磨粉末中加入碳化钛、氧化钇，将其置于行星混料机中，先抽真空再充入氩气，保持混料罐内的压强与外界大气压一致，混料1.5h，得混合粉末；其中，钨、铬、钼、石墨烯包覆铜的平均粉末粒径为100μm，碳化钛、氧化钇的平均粉末粒径为4μm；
S2、模压烧结：将混合粉末在模压机中在750MPa的压制压力下模压成型，之后无氧烧结，以氩气为保护气氛，由室温以20℃/min的升温速率升温至500℃，再以7.5℃/min的升温速率升温至900℃，保温1h后随炉冷却，得触头预毛坯；
S3、时效热处理：将触头预毛坯置于真空炉中，设置真空度为3.3×10-4Pa进行热处理，以 10℃/min的升温速率升温至500℃，保温3h，得触头毛坯；
S4、后加工：将触头毛坯进行表面精修加工，得到触头材料。
对比例4
与实施例1的区别在于：钨、铬、钼未进行球磨。
TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料的制备方法包括如下步骤：
S1、混料：按表1中配比3中质量百分比将各原料进行配比，取石墨烯包覆铜置于真空球磨罐中，充入氩气保护后进行球磨，球料质量比15：1，转速550r/min，球磨8h；之后在球磨粉末中加入钨、铬、钼、碳化钛、氧化钇，将其置于行星混料机中，先抽真空再充入氩气，保持混料罐内的压强与外界大气压一致，混料1.5h，得混合粉末；其中，钨、铬、钼、石墨烯包覆铜的平均粉末粒径为100μm，碳化钛、氧化钇的平均粉末粒径为4μm；
S2、模压烧结：将混合粉末在模压机中在750MPa的压制压力下模压成型，之后无氧烧结，以氩气为保护气氛，由室温以20℃/min的升温速率升温至500℃，再以7.5℃/min的升温速率升温至900℃，保温1h后随炉冷却，得触头预毛坯；
S3、时效热处理：将触头预毛坯置于真空炉中，设置真空度为3.3×10-4Pa进行热处理，以 10℃/min的升温速率升温至500℃，保温3h，得触头毛坯；
S4、后加工：将触头毛坯进行表面精修加工，得到触头材料。
对比例5
与实施例1的区别在于：S2中，升温至500℃后的升温速率过快，且保温温度过高。
TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料的制备方法包括如下步骤：
S1、混料：按表1中配比1、配比2、配比3中质量百分比将各原料进行配比，取钨、铬、钼和石墨烯包覆铜置于真空球磨罐中，充入氩气保护后进行球磨，球料质量比15：1，转速550 r/min，球磨8h；之后在球磨粉末中加入碳化钛、氧化钇，将其置于行星混料机中，先抽真空再充入氩气，保持混料罐内的压强与外界大气压一致，混料1.5h，得混合粉末；其中，钨、铬、钼、石墨烯包覆铜的平均粉末粒径为100μm，碳化钛、氧化钇的平均粉末粒径为4μm；
S2、模压烧结：将混合粉末在模压机中在750MPa的压制压力下模压成型，之后无氧烧结，以氩气为保护气氛，由室温以20℃/min的升温速率升温至500℃，再以15℃/min的升温速率升温至1200℃，保温1h后随炉冷却，得触头预毛坯；
S3、时效热处理：将触头预毛坯置于真空炉中，设置真空度为3.3×10-4Pa进行热处理，以 10℃/min的升温速率升温至500℃，保温3h，得触头毛坯；
S4、后加工：将触头毛坯进行表面精修加工，得到触头材料。
性能测试布氏硬度：根据GBT 231.1-2009测试标准，加载载荷4.9kN，加载时间20s，测试5个点取平均值。
抗拉强度：根据GBT 228.1-2010测试标准，采用电子万能试验机进行室温拉伸试验，拉伸速率2mm/min。
电阻率：室温环境，采用数显微欧计，根据四线法原理测出材料电阻，根据电阻率计算公式
Figure BDA0003806406520000101
计算样品电阻率。其中R为测试电阻，S为测试样品截面积，L为测试样品长度。
致密度：利用阿基米德排水法原理，以及致密度计算公式，致密度＝样品实测密度/样品理论密度×100％，测试计算致密度。其中，样品实测密度＝空气中样品的质量/(空气中样品的质量-样品中水的质量)，样品理论密度＝配制后总质量/(原料1质量/原料1理论密度+原料2 质量/原料2理论密度+原料3质量/原料3理论密度+···+原料n质量/原料n理论密度)。
表2
Figure BDA0003806406520000102
Figure BDA0003806406520000111
从表2可以看出，本发明制备的石墨烯包覆铜基触头材料，在掺杂W、Cr、Mo、TiC、Y2O3后，触头材料的硬度、强度均优于未添加上述掺杂物的石墨烯包覆铜触头材料，可以在保持较高的导电性(电阻率均小于2.3μΩ·cm)的同时，提升综合性能。对比例1-3表明陶瓷相的组成及比例对于提升综合性能尤为重要，TiC和Y2O3在本发明中的配合效果更好，再通过控制组分配比以平衡抑制再结晶形核作用和形核后抑制晶粒长大作用，使得晶粒细化程度更明显。对比例4表明金属粉末未一同进行球磨后，导致结合性、烧结成型性和烧结强化作用变差，进而触头材料的性能变差。对比例5表明烧结后期的升温速率与保温温度会影响晶粒生长过程，在本发明的限定范围内才能配合各组分比例发挥出更好的晶粒细化效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种TiC-Y2O3复合增强石墨烯包覆铜基触头材料的制备方法，其特征在于，按质量百分比计，所述触头材料的原料包括：碳化钛0.5~1.5%、氧化钇0.1~1%、钨10~25%、铬1~10%、钼0.5~5%、石墨烯包覆铜57.5~87.9%；
所述制备方法包括如下步骤：
S1、混料：将各原料按质量百分比进行配比，取钨、铬、钼和石墨烯包覆铜进行球磨，之后加入碳化钛、氧化钇进行混料，得混合粉末；所述球磨为：球料质量比10~75：1，转速300~1500 r/min，球磨时间5~50 h；所述混料为在氩气气氛下进行混料，混料时间为0.5~5h；
S2、模压烧结：将混合粉末进行模压成型，之后无氧烧结，得触头预毛坯；所述烧结为：以氩气或氢气为保护气氛，由室温以15~40℃/min的升温速率升温至500℃，再以1~10℃/min的升温速率升温至850~1050℃，保温0.5~2h；
S3、时效热处理：将触头预毛坯在真空下进行热处理，得触头毛坯；
S4、后加工：将触头毛坯进行表面精修加工，得到触头材料。
2.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述原料均为粉末状；所述钨、铬、钼、石墨烯包覆铜的粉末粒径为20~150 μm；所述碳化钛、氧化钇的粉末粒径为0.1~5μm。
3.如权利要求1或2所述制备方法，其特征在于，所述石墨烯包覆铜的制备方法包括如下步骤：以碳源气体为碳原料载体，利用化学气相沉积法在铜粉表面原位生长石墨烯薄膜，得到石墨烯包覆铜。
4.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述碳源气体为甲烷气体；所述化学气相沉积法的参数条件为：设置射频功率为100~250W，在压强为500~900Pa、温度为400~800℃的条件下进行沉积，沉积1~8min。
5.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，S2中，所述模压成型的压制压力500~1000MPa。
6.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，S3中，所述真空的真空度为1×10-2~5×10-4Pa。
7.如权利要求1或6所述制备方法，其特征在于，S3中，所述热处理为：以5~15℃/min的升温速率升温至350~550℃，保温1~4 h。
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