CN115948672B - 一种铜/碳复合材料及其制备方法和在电接触材料中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电接触材料技术领域，具体涉及一种铜/碳复合材料及其制备方法和在电接触材料中的应用。该铜/碳复合材料，包括95～98％铜和2～5％碳，其制备方法，包括以下步骤：(1)在淀粉分散液中加入铜粉搅拌混合得到铜/淀粉混合液；(2)真空干燥得到铜/淀粉粉体，初压后热解得到铜/碳烧结坯；(3)复压后复烧得到铜/碳复合材料。通过淀粉原位热解合成铜/碳复合材料，再进行复压复烧，提高其致密度，改善了碳与铜基体之间的分散性问题，提高了材料的电接触寿命和抗熔焊性。
Description
技术领域
本发明属于电接触材料技术领域，具体涉及一种铜/碳复合材料及其制备方法和在电接触材料中的应用。
背景技术
电接触材料是电器开关的核心组件和关键材料，负担接通、断开电路及负载电流的任务，材料性能决定了电器开关的开断能力和接触可靠性，其在低压电器中的服役环境极其复杂和严苛，因此需要综合考虑其物理性能、机械性能、热力学性能以及化学性能等各种因素。在低压电器接触元件中，通常采用粉末冶金方法制造银基电接触材料，但是银是贵金属，成本较高，而电接触材料的需求量很大，且使用过程中，银会部分损失，很难回收利用。因此从上世纪80年代末开始，我国兴起了低压电器用铜基电接触材料的研发热潮，希望达到节约银的目的。
铜具有良好的导电性能、导热性能以及延展性能，而石墨具有热膨胀系数低、自润滑、耐磨损性能好等优点，因此铜/石墨电接触材料不仅拥有优良的耐机械磨损性和抗电弧侵蚀性能，被广泛应用于低压断路器和空气自动开关等领域。但是由于抗熔焊性不足，现行的铜/石墨电接触材料在极限电流6000A的通断实验中表现不稳定，未能取代昂贵Ag/C电接触材料在D型断路器中的使用。且铜/石墨复合材料中石墨与铜的密度差较大，石墨易出现团聚现象，难以混合均匀，引起第二相分散性不均和偏聚现象，导致的电接触寿命短、抗熔焊性不足。
现有铜/碳复合材料的制备方法，可分为固固混合和固液混合，固固混合为在铜中添加石墨烯，富勒烯等含碳材料，虽然能小幅度的提高铜与碳之间结合能力，但是不能从根本上解决铜/碳复合材料的致密性不足以及碳的分散问题。固液混合是将液体的含碳材料与铜进行包覆混合，可以有效提高铜/碳复合材料的致密性，但是目前碳材料的利用率较低，成本较高，工艺繁琐，生产成本较高。
发明内容
本发明的目的是针对以上技术问题，提供一种铜/碳复合材料，可有效改善碳与铜基体之间的分散性，应用在电接触材料中，可以提高材料的电接触性能。
本发明技术方案中的铜/碳复合材料，包括95～98％铜和2～5％碳。
进一步，上述铜/碳复合材料中碳的粒径为1～20μm。
细小的碳颗粒，更易在铜基体中均匀分散，可以提高铜/碳复合材料的抗熔焊性和抗电弧烧蚀性，及其在低压电器上的使用寿命。
本发明还提供上述铜/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)在淀粉分散液中加入铜粉搅拌混合得到铜/淀粉混合液；
(2)真空干燥得到铜/淀粉粉体，初压后热解得到铜/碳烧结坯；
(3)复压后复烧得到铜/碳复合材料。
通过淀粉原位热解合成铜/碳复合材料，再进行复压复烧，提高其致密度，改善了碳与铜基体之间的分散性问题，提高了材料的电接触寿命和抗熔焊性。
进一步地，步骤(1)中搅拌速度为300～500rpm，搅拌时间为0.5～3h。
进一步地，步骤(1)中淀粉分散液为淀粉分散于的溶剂中形成，优选为在40～50℃条件下分散，溶剂为甲酸、乳酸的一种或两种。
进一步地，步骤(1)中淀粉分散液中淀粉的含量为20～200mg/mL。
进一步地，步骤(1)中淀粉和铜粉的质量比为1:2～6。
进一步地，步骤(2)中真空干燥时真空压强为0.86～1.0MPa，真空干燥温度为70～90℃，时间为1.5～2.0h。
进一步地，步骤(2)中初压的压力为200～300MPa，保压时间为70～120s。
进一步地，步骤(2)中热解为先在600～700℃保温2～3h，后升温至900～950℃保温2～3h。
进一步地，步骤(3)中复压的压力为1000～1200MPa，保压时间为70～120s。
进一步地，步骤(3)中复烧为在900～1000℃保温2～3h。
上述铜/碳复合材料应用于电接触材料中，具有良好的电接触性能。
相比现有技术，本发明的技术方案具有如下有益效果：
(1)通过淀粉原位热解合成铜/碳复合材料，改善了碳与铜基体之间的分散性，提高了复合材料的电接触性能；
(2)所得铜/碳复合材料中，碳细小而弥散，可以提高电接触材料的抗熔焊性和抗电弧烧蚀性；
(3)本发明采用两次压制与烧制，可以提高材料的致密度，进一步提高其电接触性能；
(4)本发明所得铜/碳复合材料有望打破铜基材料在D型断路器中无法使用的壁垒，实现对贵金属银基触头材料的替代。
附图说明
图1为实施例1所得铜/碳复合材料的表面金相图；
图2为对比例1所得铜/碳复合材料的表面金相图。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步描述说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于帮助理解本发明，不用于本发明的具体限制。且本文中所使用的附图，仅仅是为了更好地说明本发明所公开内容，对保护范围并不具有限制作用。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
经过对淀粉热处理实验，得到本发明中淀粉的成碳率为10～11％。
实施例1
本实施例铜/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1.0g淀粉加入到50ml，40℃的甲酸中，500rpm搅拌0.5h形成分散液，加入5.2g铜粉后500rpm搅拌2.0h得到铜/淀粉混合液；
(2)真空压强为0.86MPa时，90℃真空干燥2.0h得到铜/淀粉粉体，260MPa压力下保压70s，在氮气气氛下5℃/min升至700℃，保温2h，促进淀粉热解，5℃/min升至950℃，保温2h得到铜/碳烧结坯；
(3)在1200MPa压力下保压70s进行复压，在氮气气氛下5℃/min升至950℃，保温2h得到铜/碳复合材料(碳的最大粒径为10μm，碳含量为2.0％)。
实施例2
本实施例铜/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1.52g淀粉加入到50ml，40℃的甲酸中，300rpm搅拌1.5h形成分散液，加入5.2g铜粉后500rpm搅拌2.0h得到铜/淀粉混合液；
(2)真空压强为0.86MPa时，80℃真空干燥2.0h得到铜/淀粉粉体，230MPa压力下保压70s，在氮气气氛下5℃/min升至700℃，保温2h，促进淀粉热解，5℃/min升至950℃，保温2h得到铜/碳烧结坯；
(3)在1100MPa压力下保压70s进行复压，在氮气气氛下5℃/min升至950℃，保温2h得到铜/碳复合材料(碳的最大粒径为12μm，碳含量为3.1％)。
实施例3
本实施例铜/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将2.0g淀粉加入到50ml，40℃的甲酸中，500rpm搅拌0.5h形成分散液，加入5.2g铜粉后400rpm搅拌2.0h得到铜/淀粉混合液；
(2)真空压强为0.86MPa时，90℃真空干燥2.0h得到铜/淀粉粉体，260MPa压力下保压80s，在氮气气氛下5℃/min升至680℃，保温2h，促进淀粉热解，5℃/min升至960℃，保温2h得到铜/碳烧结坯；
(3)在1200MPa压力下保压70s进行复压，在氮气气氛下5℃/min升至980℃，保温2h得到铜/碳复合材料(碳的最大粒径为15μm，碳含量为3.9％)。
实施例4
本实施例铜/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1.0g淀粉加入到50ml，40℃的甲酸中，500rpm搅拌0.5h形成分散液，加入5.2g铜粉后500rpm搅拌2.0h得到铜/淀粉混合液；
(2)真空压强为0.86MPa时，90℃真空干燥2.0h得到铜/淀粉粉体，260MPa压力下保压70s，在氮气气氛下5℃/min升至700℃，保温2h，促进淀粉热解，5℃/min升至950℃，保温2h得到铜/碳烧结坯；
(3)在1200MPa压力下保压70s进行复压得到铜/碳复合材料(碳的最大粒径为10μm，碳含量为2.0％)。
实施例5
本实施例铜/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1.0g淀粉加入到50ml，40℃的甲酸中，500rpm搅拌0.5h形成分散液，加入5.2g铜粉后500rpm搅拌2.0h得到铜/淀粉混合液；
(2)真空压强为0.86MPa时，90℃真空干燥2.0h得到铜/淀粉粉体，在1200MPa压力下保压70s进行复压，在氮气气氛下5℃/min升至700℃，保温2h，促进淀粉热解，5℃/min升至950℃，保温2h得到铜/碳烧结坯；(碳的最大粒径为10μm，碳含量为2.0％)。
对比例1
本对比例与实施例1的区别仅在于步骤(1)为将0.106g石墨加入到50ml，40℃的甲酸中，500rpm搅拌0.5h形成分散液，加入5.2g铜粉后500rpm搅拌2.0h得到铜/石墨混合液。
对比例2
本对比例与实施例1的区别仅在于步骤(1)为将4.0g淀粉加入到50ml，40℃的甲酸中，500rpm搅拌0.5h形成分散液，加入5.2g铜粉后500rpm搅拌2.0h得到铜/淀粉混合液；所得铜/碳复合材料中碳的最大粒径为25μm，碳含量为7.8％。
以上实施例及对比例所得铜/碳复合材料进行密度d(dт-材料理论密度，d/dт-相对密度)、硬度HB，第二相平均粒径p、拉伸延伸率E，以及1000次交流循环烧蚀后，对称触头副接触电阻R、质量损失G、最大熔焊力F的测试(I＝60A，U＝380V，)。表1中所列数据为5～10次测量结果的平均值。
表1铜/碳复合材料性能数据
| d/dт | HB | P/μm | E/％ | R/mΩ | G/mg | F/N | |
| 实施例1 | 96.9 | 93.2 | 15.1 | 3.3 | 10.9 | 16.8 | 6.7 |
| 实施例2 | 95.2 | 94.8 | 15.8 | 3.1 | 11.5 | 16.3 | 6.8 |
| 实施例3 | 94.4 | 94.5 | 15.3 | 2.9 | 11.9 | 17.1 | 6.5 |
| 实施例4 | 96.8 | 92.3 | 15.3 | 0.5 | 11.8 | 40.8 | 6.2 |
| 实施例5 | 82.2 | 70.5 | 15.2 | 0.2 | 305.2 | 70.2 | 6.6 |
| 对比例1 | 96.8 | 84.1 | 29.1 | 2.8 | 12.5 | 24.5 | 11.3 |
| 对比例2 | 90.6 | 89.3 | 26.2 | 0.2 | 113.3 | 30.1 | 7.2 |
图1表明，相对于对比例1所得铜/碳复合材料(图2所示)，实施例1制备得到碳分散性较高的铜/碳复合材料。如表1数据所示，实施例4所得铜/碳复合材料性质较脆，质量损失较大，实施例5所得铜/碳复合材料，密度和硬度较小，质量损失较大，对称触头副接触电阻较大，电接触性能较差，对比例1得到的铜/石墨复合材料，第二相平均粒径较大，电接触性能较差，对比例2得到碳含量较高的铜/碳复合材料，密度和硬度较小，对称触头副接触电阻较大，电接触性能较差。由此表明，本发明技术方案所得铜/碳复合材料制备触头材料，相对密度、硬度值相对较高，在电弧烧蚀作用下，兼具更优异的抗电弧烧蚀性和抗熔焊性，可以提高电器开关触头件的可靠性和持久性。
最后应说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明，而并非对本发明的实施方式的限定。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具有实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，这里无需也无法对所有的实施方式予以全例。而这些属于本发明的实质精神所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (3)
1.一种铜/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述铜/碳复合材料以质量百分比计包括96.1~98.0%铜和2.0~3.9%碳；
所述制备方法，包括以下步骤：
（1）在淀粉分散液中加入铜粉搅拌混合得到铜/淀粉混合液；
（2）真空干燥得到铜/淀粉粉体，初压后热解得到铜/碳烧结坯；
（3）复压后复烧得到铜/碳复合材料；
步骤（1）中淀粉分散液为淀粉分散于的溶剂中形成；淀粉分散液中淀粉的含量为20~200mg/mL；淀粉和铜粉的质量比为1:2~6；
步骤（2）中初压的压力为200~300MPa，保压时间为70~120s；热解为先在600~700℃保温2~3h，后升温至900~950℃保温2~3h；
步骤（3）中复压的压力为1000~1200MPa，保压时间为70~120s；复烧为在900~1000℃保温2~3h。
2.根据权利要求1所述的铜/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述铜/碳复合材料中碳的粒径为1~20μm。
3.如权利要求1所述的铜/碳复合材料的制备方法制备得到的铜/碳复合材料在电接触材料中的应用。
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