專利名稱：一種金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及電接觸材料，尤其是一種金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
電觸頭亦稱觸點、接點或觸頭，是電器開關(guān)、儀器儀表等中的接觸部件，擔(dān)負(fù)著接通、承載與分?jǐn)嚯娏鞯娜蝿?wù)，因此，它的性能直接影響著開關(guān)電器及儀器儀表運行的可靠性。電接觸過程是一個復(fù)雜的物理過程，它往往要求電接觸材料有高電導(dǎo)、低接觸電阻、高熱導(dǎo)、高耐磨、耐腐蝕、抗沖擊等特性。電接觸材料已有近100年的歷史，最初使用純銀、純金、純鉬作觸頭材料，20世界40年代開始采用Ag-Cu、Au-Ag, Pt-Ir或Pd-Ag等合金，60年代以來發(fā)展了多元貴金屬和各種貴金屬復(fù)合材料。石墨烯是一種由碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)新材料(其厚度通常在10納米以內(nèi))。2004年Geim等用微機械剝離的方法成功地從石墨中剝離出單層碳原子，這種單獨存在的二維有序碳被科學(xué)家們稱為石墨烯，由于其獨特的晶體結(jié)構(gòu)特征，吸引了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。目前，一些具有高硬度、耐磨、導(dǎo)熱性好、耐高溫和耐各種介質(zhì)腐蝕的材料為增強相物質(zhì)與金屬基體材料進行復(fù)合的復(fù)合電接觸材料，由于同時具備優(yōu)良的力學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)，已成為電接觸材料的主要發(fā)展方向。其中增強相物質(zhì)主要有La203、Mc^2、Al203、石墨、 金剛石等。但是，這些增強相物質(zhì)通常導(dǎo)電性都很差，使得電接觸材料的導(dǎo)電性變差，這對電接觸材料的性能有很大的影響。如銀基金剛石復(fù)合材料，雖然其硬度和耐磨性隨金剛石的含量的增加有很大提高，但其接觸電阻也明顯增大。此外，目前應(yīng)用最多的CdO增強材料，由于其存在嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，而嚴(yán)重的制約了它的使用，一些歐洲國家已經(jīng)立法禁止使用CdO于電子材料中。因此，探索新的增強相物質(zhì)一直是人們關(guān)注的研究領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種金屬基石墨烯電接觸材料，采用電學(xué)性能和機械性能都非常優(yōu)異的石墨烯材料作為增強相物質(zhì)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)增強相物質(zhì)CdO、SnO2,MoS2, WC, SiC、La2O3、石墨或金剛石粉等，一方面可以保持基體金屬優(yōu)良的導(dǎo)電性，提高復(fù)合材料的耐磨性，另一方面可以減少鎘污染，同時有望通過石墨烯的突出特性，賦予電接觸材料一些額外的優(yōu)勢。本發(fā)明同時提供該金屬基石墨烯電接觸材料的制備方法，該方法操作簡單、工藝易控，能夠獲得分散均勻的金屬基石墨烯電接觸材料。本發(fā)明技術(shù)方案如下一種金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料，包含0. 02-10wt%的石墨烯，其余為金屬基體材料；所述石墨烯均勻分散在所述金屬基體材料中。所述石墨烯厚度為0. 3-5nm、直徑為 IOnm-IO μ m。所述金屬基體材料可以是Au、Ag、Cu或Au、Ag、Cu三者之間的二元或三元合金，也可以是Au、Ag、Cu或Au、Ag、Cu三者之間的二元或三元合金與Sn、Ni或Pt之間的多兀合金。石墨烯是碳原子按正六邊形整齊排列的晶體，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，具有完美的晶體結(jié)構(gòu)。由于石墨烯中的碳原子是屬于SP2雜化，因此石墨烯具有非同尋常的導(dǎo)電性和十倍于鋼鐵的機械強度。此外，石墨烯是目前世界上最薄的材料(厚度通常在10納米以下)，而且高度穩(wěn)定。作為導(dǎo)熱材料，石墨烯是目前世界上導(dǎo)熱性最好的材料。由此看來，用石墨烯作為改性添加物來制備鍍層，可使鍍層的機械強度、耐磨性及電導(dǎo)性都會有所提高。本發(fā)明以石墨烯為增強相，常用電接觸金屬材料為金屬基體，制成了金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料。一種金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料的制備方法，首先在基體金屬的鹽溶液中加入厚度為0. 3-5nm、直徑為IOnm-IO μ m的石墨烯，采用水合胼還原法在石墨烯表面沉積少量的基體金屬；然后將表面沉積了基體金屬的石墨烯分離、烘干后與基體金屬粉末混合均勻， 控制混合物中石墨烯的含量為0. 02-10wt% ；最后采用真空熔煉法對所述混合物進行真空熔煉，得到金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料。本發(fā)明提供的金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料，由于石墨烯增強相的加入，使得該復(fù)合電接觸材料能夠滿足電接觸的應(yīng)用要求。具體而言，本發(fā)明提供的金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料具有以下優(yōu)點(1)由于石墨烯具其有優(yōu)良的導(dǎo)電性，使金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料具有比其他增強相復(fù)合電接觸材料更有優(yōu)越的導(dǎo)電性。( 由于石墨烯具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率，是目前熱導(dǎo)率最好的材料，因此石墨烯的加入，可以進一步提高復(fù)合電接觸材料的導(dǎo)熱能力。(3)由于石墨烯硬度高、耐磨，并且有良好的韌性，這賦予了金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料高硬度和高的耐磨性。(4)由于石墨烯穩(wěn)定性好，復(fù)合后也不存在電介質(zhì)腐蝕的問題。(5)由于石墨烯電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率都非常高，而且硬度也非常高，這理論上可以賦予復(fù)合電接觸材料良好的抗熔焊能力。
具體實施例方式實施例1復(fù)合電接觸材料石墨烯0. 02%，余量為銀。具體制備步驟為1.配制2%的硝酸銀溶液(A溶液)；2.在有20mLA溶液的燒杯中，加入0.4g平均直徑為50nm的石墨烯，并超聲分散均勻；3.向上述溶液中滴加2%水合胼溶液lmL，磁力攪拌30min ；4.采用離心和水洗3次，烘干備用；5.稱取0. OOSg上述烘干后的固體粉末，與20g銀粉球磨混合池；6.用真空熔煉法進行真空熔煉。即得石墨烯復(fù)合電接觸材料。所得材料性質(zhì)外觀銀白色金屬光澤，表面平整均勻。用掃描電鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)，石墨烯均勻的分散在基體金屬中，并與基體金屬有良好的界面接觸。材料性能復(fù)合材料有極好的延展性，容易加工成型。通過電學(xué)實驗測定，復(fù)合材料導(dǎo)電性良好，電導(dǎo)率為45. 2MS/m。通過熱學(xué)實驗測定，其熱導(dǎo)率很好。通過耐磨性實驗測定，復(fù)合材料的耐磨性比純金屬有一定提高。用該材料加工制成的電觸頭，在快速試驗開關(guān)實驗中，在較少的分?jǐn)啻螖?shù)內(nèi)產(chǎn)生較大燒損，但比用純金屬銀制成的電觸頭的燒損情況有一定的改善。實施例2復(fù)合電接觸材料石墨烯3%，余量為銀。具體制備步驟為例1中步驟5中稱取的固體粉末由0. 008g增加到1. 2g，其他步驟與例1相同。所得材料性質(zhì)外觀銀白色金屬光澤，稍暗，表面平整均勻。用掃描電鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)，石墨烯均勻的分散在基體金屬中，并與基體金屬有良好的界面接觸。材料性能復(fù)合材料有很好的延展性，容易加工成型。通過電學(xué)實驗測定，復(fù)合材料導(dǎo)電性良好，電導(dǎo)率為38. 2MS/m。通過熱學(xué)實驗測定，其熱導(dǎo)率很好。通過耐磨性實驗測定，復(fù)合材料的耐磨性比純金屬有很大提高，提高率達32%。用該材料加工制成的電觸頭， 在快速試驗開關(guān)實驗中，在加大電壓和電流的情況下，在較少的分?jǐn)啻螖?shù)內(nèi)產(chǎn)生較大燒損， 但比用純金屬銀制成的電觸頭的燒損情況有明顯的提高。實施例3復(fù)合電接觸材料石墨烯2%，余量為銅。具體制備步驟為把例1中步驟1的硝酸銀換成硫酸銅，步驟3中的水合胼溶液由 ImL增加到2m，步驟6中的銀粉換成銅粉。其他步驟與例1相同。所得材料性質(zhì)外觀黃色金屬光澤，表面平整均勻。用掃描電鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)，石墨烯均勻的分散在基體金屬中，并與基體金屬有良好的界面接觸。材料性能復(fù)合材料有很好的延展性，容易加工成型。通過電學(xué)實驗測定，復(fù)合材料導(dǎo)電性良好，電導(dǎo)率為36. 2MS/m。通過熱學(xué)實驗測定，其熱導(dǎo)率很好。通過耐磨性實驗測定，復(fù)合材料的耐磨性比純金屬有很大提高，提高率達30%。用該材料加工制成的電觸頭， 在快速試驗開關(guān)實驗中，在加大電壓和電流的情況下，在較少的分?jǐn)啻螖?shù)內(nèi)產(chǎn)生較大燒損， 但比用純金屬銅制成的電觸頭的燒損情況有明顯的提高。
權(quán)利要求
1.一種金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料，包含0.02-10wt%的石墨烯，其余為金屬基體材料；所述石墨烯均勻分散在所述金屬基體材料中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料，其特征在于，所述石墨烯厚度為 0. 3-5nm、直徑為 IOnm-IO μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料，其特征在于，所述金屬基體材料為Au、Ag、Cu或Au、Ag、Cu三者之間的二元或三元合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料，其特征在于，所述金屬基體材料為Au、Ag、Cu與Sn、Ni、Pt或P之間的多元合金，或Au、Ag、Cu三者之間的二元或三元合金與Sn、Ni、Pt或P之間的多元合金。
5.一種金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料的制備方法，首先在基體金屬的鹽溶液中加入厚度為0. 3-5nm、直徑為IOnm-IO μ m的石墨烯，采用水合胼還原法在石墨烯表面沉積少量的基體金屬；然后將表面沉積了基體金屬的石墨烯分離、烘干后與基體金屬粉末混合均勻，控制混合物中石墨烯的含量為0. 02-10wt% ；最后采用真空熔煉法對所述混合物進行真空熔煉，得到金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料的制備方法，其特征在于，所述石墨烯厚度為0. 3-5nm、直徑為IOnm-IO μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料的制備方法，其特征在于，所述基體金屬材料為Au、Ag、Cu或Au、Ag、Cu三者之間的二元或三元合金。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料的制備方法，其特征在于，所述金屬基體材料為Au、Ag、Cu與Sn、Ni、Pt或P之間的多元合金，或Au、Ag、Cu三者之間的二元或三元合金與Sn、Ni、Pt或P之間的多元合金。
全文摘要
一種金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料及其制備方法，屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域。所述金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料，包含0.02-10wt％的石墨烯，其余為金屬基體材料；其中石墨烯均勻分散在所述金屬基體材料中。制備時，首先在基體金屬的鹽溶液中加入石墨烯，采用水合肼還原法在石墨烯表面沉積少量的基體金屬；然后將表面沉積了基體金屬的石墨烯分離、烘干后與基體金屬粉末混合均勻；最后采用真空熔煉法對所述混合物進行真空熔煉，得到金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料。本發(fā)明提供的金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料，由于石墨烯增強相的加入，使得該復(fù)合電接觸材料具有比其他增強相復(fù)合電接觸材料更有優(yōu)越的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和更高的硬度和耐磨性，穩(wěn)定性更高，抗熔焊能力更強。
文檔編號C22C1/10GK102385938SQ20111035459
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者何泓材, 王寧, 竇延軍, 陳海軍 申請人:電子科技大學(xué)