CN1725561A - 纳米碳管复合电接触材料 - Google Patents
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Abstract
一种纳米碳管复合电接触材料，属于复合材料技术领域。本发明的组分及其重量百分比为：纳米碳管0.02－5％，余量为基体金属。所述的纳米碳管是直径在20－100nm之间的多壁纳米碳管，或者单壁纳米碳管。所述的单壁纳米碳管可进一步限定为：直径1－3nm，长1－2μm的单壁纳米碳管。所述的基体金属是指可以通过电沉积反应制备的金属及其合金。本发明采用机械特性和导电性都非常优越的纳米碳管作为增强相物质，取代CdO、SnO2、MoS2、WC、SiC、La2O3、金刚石粉等传统增强相物质，不但可以保持基体金属的良好导电性，而且能够克服镉污染难题，同时有望通过纳米碳管的突出特性，赋予电接触材料一些额外的优势。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种复合材料技术领域的电接触材料，具体地说，是一种纳米碳管复合电接触材料。
背景技术
电接触材料用于制作活动电连接的触点，是电力、自控、信息传递等领域常用的关键材料之。电接触现象是一种十分复杂的物理现象，这对电接触材料提出了许多苛刻的、甚至是矛盾的要求，譬如高电导、低接触电阻、高热导、高耐磨、耐蚀、抗焊、抗冲击等特性。传统的电接触材料大多是贵金属(Ag，Au，Pt等)材料与陶瓷颗粒通过一定方法合成的金属基复合材料，如Ag/SnO2、Ag/CdO等。纳米碳管是1991年才被发现的一种新型碳结构，它是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。一般可分为单壁纳米碳管和多壁纳米碳管，单壁纳米碳管比较细，其直径大多在数纳米左右，多数集中分布在0.8～2nm附近，多壁纳米碳管由几层到几十层的同心管套叠而成，直径多在4nm以上。由于纳米碳管的直径很小、长径比大，故可视为准一维纳米材料。
经对现有技术文献的检索发现，吴元康、余琨、熊晓辉、于海梁在《纳米晶金刚石织构粒子增强银基电接触复合镀层的研究》(《电镀与涂饰》，2002年03期)一些较新型的增强相正被不断地开发利用，如La2O3、MoS2、Al2O3，石墨，金刚石，被用于Ag、Cu、Au及其合金为基体的材料，构造各种电接触材料体系。这些增强相颗粒具有硬度高、耐磨、导热性好、耐高温和耐各种介质腐蚀等优点，但是它们通常不是电的良导体，作为增强相加入一般会导致整体导电性降低，作为电接触材料，这是一种令人惋惜的损失。如银基金刚石电接触复合镀层，其显微硬度及耐磨性随金刚石复合量的增加明显提高，而其接触电阻却也随之增加。此外，目前使用最普及的CdO增强相材料还是一种毒性很强的环境污染，一些国家已经立法禁止使用它，因此，探索新的增强相物质一直是人们关注的研究领域。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种纳米碳管复合电接触材料，使其采用机械特性和导电性都非常优越的纳米碳管作为增强相物质，取代CdO、SnO2、MoS2、WC、SiC、La2O3、金刚石粉等传统增强相物质，不但可以保持基体金属的良好导电性，而且能够克服镉污染难题，同时有望通过纳米碳管的突出特性，赋予电接触材料一些额外的优势。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的组分及其重量百分比为：纳米碳管0.02-5％，余量为基体金属。
所述的纳米碳管是直径在20-100nm之间的多壁纳米碳管，或者单壁纳米碳管。
所述的多壁纳米碳管可以进一步限定为：直径20-40nm，长1-2μm的多壁纳米碳管；直径40-60nm，长2-5μm的多壁纳米碳管；直径60-100nm，长5-10μm的多壁纳米碳管。
所述的单壁纳米碳管可进一步限定为：直径1-3nm，长1-2μm的单壁纳米碳管。
所述的基体金属是指可以通过电沉积反应制备的金属及其合金。
所述的金属基体可以进一步限定为：Ag、Cu、Au或者它们之间的合金，也可以是上述金属及其合金与其它金属元素如Sn、Ni、Pt、P组成的多元合金。
碳纳米管的结构和几何特点决定了它电子学上的独特复杂性，由于电子的量子限域所致，电子有效的运动只能在单层石墨片中沿碳纳米管的轴向方向，径向运动受到限制，因此它们的波矢是沿轴向的。在碳纳米管周围传播的电子只有特定波长的电子被保留下来，其他的则可能完全被抵消，只有三分之一的碳纳米管具有恰当的直径和螺旋程度，这些碳纳米管具有金属性，可看成准一维导线，其余三分之二则是半导体。纳米碳管具有卓越的强度，大约是钢的100倍，而密度只有钢的1/6，并具有很好的柔韧性。从碳管的尺度和结构形态上分析，它们特别适合于作为复合镀层的改性添加物，在镀层强度、耐磨性等方面获得显著改良的效果。本发明以纳米碳管作为增强相，常用电接触金属为基体，制成纳米碳管金属基复合电接触材料。纳米碳管可以通过复合电镀等方法被均匀分散到基体金属材料之中，也就是将纳米碳管作为添加剂，以一定的浓度加入能够沉积基体金属的电镀液之中，通过共沉积实现纳米碳管与基体金属的有效复合，构成金属基纳米碳管复合材料，并可以用碳管掩膜电镀或者后续机械加工打方法，进一步制作成为具有一定几何形状的电触点。
将纳米碳管作为增强相使用，可使复合电接触材料更符合电接触应用要求，其具有一些特殊的优点：(1)纳米碳管复合镀层具有比非导电增强相复合电接触材料更为优越的导电性，因为纳米碳管具有良好导电性，不但不会像其它常用增强相物质那样降低基体金属的导电性，而且有可能进一步改善其导电能力。(2)纳米碳管的热传导能力也是非常优越的，不但远远高于常规增强相物质，而且优于一般金属，所以，炭管的加入可能进一步增强其整体热传导能力。(3)纳米碳管还可能提高复合材料的抗熔焊性能。传统上提高抗熔焊的主要有两种方法，一是增加导电传热特性，提高熔点和热容；二是降低触头材料的熔焊力。前者前面已经阐述过，对后者，纳米碳管同样拥有比较优势。一般地讲，第二相粒子的添加可以增加焊缝处的脆性，降低焊缝的机械强度，使熔焊力下降。与通常的添加相石墨化合物和氧化物相比，纳米碳管作为一种纳米纤维，其降低熔焊力的效果从原理上应该更为明显。(4)纳米碳管复合电接触材料可能具有更好的电弧特性。良好的导电传热特性，可以降低其电弧放电过程的温升，减少烧损，纳米碳管的一端深嵌于镀层中，一端外露于表面，增加了镀层的微观粗糙度。研究表明，粗糙表面有利于弧根的快速移动，使局部区域不会被电弧严重侵蚀，因此有可能更有力于材料抵抗电弧侵蚀。
具体实施方式
实施例1
复合电接触材料：纳米碳管0.02％，余量为Ag。
外观：银白色金属光泽，表面平整均匀。场发射扫描电镜观察微观面，有均匀分散在基体中的纳米碳管，并与Ag基体有良好界面。
材质效果：金属延展性极佳，易于机械加工。通过电学测定实验，导电性良好，电导率为44.8MS/m。通过热学测定实验，其导热性优异。运用落砂试验机对其进行耐磨性实验，由于纳米碳管的自润滑性，其耐磨性比纯银有一定提高。用此材料加工成电触头，并用快速试验开关进行实验，既加大电压，电流，在较少的分断次数内产生较大的烧损，比较纯银材料所制成的触头，烧损情况有一定改善。
实施例2
复合电接触材料：纳米碳管2％，余量为Ag。
外观：银白色金属光泽，略暗，表面平整均匀。场发射扫描电镜观察微观面，有较多均匀分散在基体中的纳米碳管，并与Ag基体有良好界面。
材质效果：金属延展性较好，可以机械加工。通过电学测定实验，导电性良好，电导率为38.5MS/m。通过热学测定实验，其导热性优异。运用落砂试验机对其进行耐磨性实验，由于纳米碳管的自润滑性，其耐磨性比纯银有明显提高，提高率达30％。用此材料加工成电触头，并用快速试验开关进行实验，既加大电压，电流，在较少的分断次数内产生较大的烧损，比较纯银材料所制成的触头，烧损情况有明显改善。
实施例3
复合电接触材料：纳米碳管5％，余量为Ag。
外观：灰白色，略带金属光泽，表面平整均匀。场发射扫描电镜观察微观面，有大量均匀分散在基体中的纳米碳管，并与Ag基体有良好界面。
材质效果：金属延展性有所下降，进行机械加工出现微裂纹，不宜冷加工形变。通过电学测定实验，导电性良好，电导率为33.4MS/m。通过热学测定实验，其导热性优异。运用落砂试验机对其进行耐磨性实验，由于纳米碳管的自润滑性，其耐磨性比纯银有明显提高，提高率达50％。用掩膜电镀将此材料直接加工成电触头，并用快速试验开关进行实验，既加大电压，电流，在较少的分断次数内产生较大的烧损，比较纯银材料所制成的触头，烧损情况有大幅改善。
实施例4
复合电接触材料：纳米碳管1％，余量为Cu。
外观：亮黄色金属光泽，表面平整均匀。场发射扫描电镜观察微观面，有较多均匀分散在基体中的纳米碳管，其与Cu基体主要以机械镶嵌方式结合。
材质效果：金属延展性较好，可以机械加工。通过电学测定实验，导电性良好，电导率为37.3MS/m。通过热学测定实验，其导热性优异。运用落砂试验机对其进行耐磨性实验，由于纳米碳管的自润滑性，其耐磨性比纯铜有明显提高，提高率达20％。用此材料加工成电触头，并用快速试验开关进行实验，既加大电压，电流，在较少的分断次数内产生较大的烧损，比较纯铜材料所制成的触头，烧损情况有明显改善。
Claims (8)
1.一种纳米碳管复合电接触材料，其特征在于，组分及其重量百分比为：纳米碳管0.02-5％，余量为基体金属。
2.根据权利要求1所述的纳米碳管复合电接触材料，其特征是，所述的纳米碳管，是直径在20-100nm之间的多壁纳米碳管，或者单壁纳米碳管。
3.根据权利要求2所述的纳米碳管复合电接触材料，其特征是，所述的多壁纳米碳管，是：直径20-40nm，长1-2μm的多壁纳米碳管。
4.根据权利要求2所述的纳米碳管复合电接触材料，其特征是，所述的多壁纳米碳管，是：直径40-60nm，长2-5μm的多壁纳米碳管。
5.根据权利要求2所述的纳米碳管复合电接触材料，其特征是，所述的多壁纳米碳管，是：直径60-100nm，长5-10μm的多壁纳米碳管。
6.根据权利要求2所述的纳米碳管复合电接触材料，其特征是，所述的单壁纳米碳管，是：直径1-3nm，长1-2μm的单壁纳米碳管。
7.根据权利要求2所述的纳米碳管复合电接触材料，其特征是，所述的基体金属，是指：通过电沉积反应制备的金属及其合金。
8.根据权利要求1或7所述的纳米碳管复合电接触材料，其特征是，所述的金属基体，是：Ag、Cu、Au或者它们之间的合金，或者是Sn、Ni、Pt、P组成的多元合金。
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