專利名稱：含納米顆粒層的電界面的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電界面，更具體地說，本發(fā)明涉及具有第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體的電界面。
背景技術(shù)：
眾所周知，在電界面例如螺栓接合(bolted joint)和滑動接觸的表面，通過沉積 鎳、銀或錫的電鍍層可在其上形成涂層。該涂層的主要功能是用來減少電界面的氧化，從而 使電連接處或電接觸在其工作使用期限內(nèi)保持穩(wěn)定的接觸電阻。人們還不清楚這些涂層是 否能減少接觸電阻或提高電界面間的熱傳輸性質(zhì)。因此，人們需要一種涂層或?qū)幽軌驕p少電界面處的接觸電阻和連接處產(chǎn)生的熱 量，從而降低在給定額定電流下的最高工作溫度。此外，人們還希望這種涂層或?qū)幽苡糜谠?加界面處的熱傳導(dǎo)系數(shù)以增強連接處的散熱能力，這同樣可以使連接處的峰值溫度降低。

發(fā)明內(nèi)容
這些需求和其它的要求可在本發(fā)明的實施例中得到滿足，本發(fā)明的實施例提供了一種包含第一導(dǎo)體，納米顆粒層和第二導(dǎo)體的電界面，其中第一導(dǎo)體具有表面；納米顆粒層 具有第一表面和相對第二表面，納米顆粒層的第一表面電耦合至第一導(dǎo)體的表面上；第二 導(dǎo)體具有電耦合至納米顆粒層的相對第二表面上的表面。例如，這能增加電接觸界面的熱 學(xué)和電學(xué)傳輸性質(zhì)，從而增加了電子產(chǎn)品包括電界面的安全性和可靠性。第一和第二導(dǎo)體可以是電源導(dǎo)體電源導(dǎo)體。納米顆粒層可包括選自含碳納米顆粒、金屬納米線及它們的混合物的納米顆粒材 料。含碳納米顆?？蛇x自碳納米管、碳納米纖維及它們的混合物。在包含碳納米管的實施 例中，碳納米管可在第一導(dǎo)體表面和第二導(dǎo)體表面中的至少一個表面上形成。在進一步的 實施例中，碳納米管可通過化學(xué)氣相沉積法形成。在更進一步的實施例中，納米顆粒層可包 括金屬箔，其中，碳納米管形成在金屬箔的第一表面和相對第二表面中的至少一個上。在另 外實施例中，碳納米管可形成薄片。在另一個實施例中，碳納米管可選自多壁碳納米管、單 壁碳納米管以及它們的混合物。在包含碳納米纖維的實施例中，碳納米纖維可形成薄片。在包含金屬納米線的實施例中，金屬納米線可包括選自鋅、鎳、銀、錫以及它們的 混合物的金屬。在進一步的實施例中，金屬納米線可在第一導(dǎo)體表面和第二導(dǎo)體表面中的 至少一個表面上形成。在更進一步的實施例中，金屬納米線可通過化學(xué)氣相沉積法或電鍍 法形成。在另外的實施例中，納米顆粒層可包括金屬箔，其中，金屬納米線形成在金屬箔的 第一表面和相對第二表面中的至少一個上。在另外的實施例中，電界面可形成電源導(dǎo)體電源導(dǎo)體的螺栓接合。在進一步的實施例中，第一和第二導(dǎo)體可由選自鋁、銅以及它們的混合物的材料 制成。在另外的實施例中，第一導(dǎo)體、納米顆粒層和第二導(dǎo)體可通過至少一個緊固件機械耦合在一起。


通過結(jié)合附圖閱讀優(yōu)選實施例的下列描述可完全理解本發(fā)明圖IA是電界面的側(cè)面視圖；圖IB是依照本發(fā)明的實施例的電界面的側(cè)面視圖；圖2是依照本發(fā)明的另一實施例的電界面的分解示意圖；圖2A是圖2的電界面的分解側(cè)面視圖；圖3是依照本發(fā)明的另一實施例的電界面的分解示意圖；圖3A是圖3的電界面的分解側(cè)面視圖；以及圖4和圖5是依照本發(fā)明的其它實施例的電界面的分解示意圖。
具體實施例方式在此，名詞“電源導(dǎo)體”是指電源母線、電源線，電源相導(dǎo)體，電力電纜和/或電源、 電路斷流器或其它開關(guān)設(shè)備裝置的電源母線結(jié)構(gòu)。在此，名詞“緊固件”是指任意適合的連接或收緊機構(gòu)，特別包括但不限于，螺絲 (例如，不限定于，固定螺絲)、螺栓以及螺栓和螺母的組合(例如，不限定于，鎖緊螺母)、螺 栓、墊片和螺母的組合。在此，兩個或多個零件“耦合”或“連接”在一起是指零件們直接連接或通過一個 或多個中間零件連接在一起。除非其中特別列舉，在此所用的方向詞，諸如，例如，左，右，頂部，底部，較高的，較 低的，正面，背面，前部的，上面的，下面的，順時針的，逆時針的以及其它衍生的方向詞均與 如圖所示元件的方向有關(guān)，并且不限于權(quán)利要求。在此，名詞“數(shù)量”是指一或比一大的整數(shù)(例如，多個)。本發(fā)明涉及包含納米顆粒層的電界面。納米顆粒層的存在可弓I起例如但不限于螺栓接合和滑動接觸的電接觸界面的熱學(xué)和電學(xué)傳輸性質(zhì)的改善的至少一種。圖IA和圖IB是電界面1、1'的側(cè)面視圖，電界面1、1 ‘分別包括第一導(dǎo)體2、2' 和第二導(dǎo)體3、3'。這樣的第一和第二導(dǎo)體典型地例如由銅、鋁或它們的混合物制成。圖 IA展示了現(xiàn)有技術(shù)，其中第一和第二導(dǎo)體2、3互相直接接觸形成接觸區(qū)域4。圖IB展示了 本發(fā)明的實施例，其中第二導(dǎo)體3'包含納米顆粒層5，因此，第一導(dǎo)體2'直接接觸納米顆 粒層5，從而形成接觸區(qū)域4'和4"。圖2是電界面10的分解示意圖，電界面10包括第一導(dǎo)體15和第二導(dǎo)體20。第一 和第二導(dǎo)體15、20可由多種導(dǎo)電材料，例如但不限于，銅、鋁以及它們的混合物制成。第一 導(dǎo)體15包含上表面25和下表面30。第二導(dǎo)體20包含上表面35和下表面40。相對的第 一導(dǎo)體15的下表面30和第二導(dǎo)體20的上表面35電連接在一起。參考圖2A，電界面10包含納米顆粒層27，納米顆粒層27具有第一表面28和相對 第二表面29。納米顆粒層27與第一導(dǎo)體15的下表面30相連。納米顆粒層27的第一表 面28電耦合到第一導(dǎo)體15的下表面30，且第二導(dǎo)體20的上表面35電耦合到納米顆粒層 27的相對第二表面29。盡管圖2A只展示了示例結(jié)構(gòu)，但人們應(yīng)該了解，可選的，納米顆粒層27也可被連接在第二導(dǎo)體20的上表面35上，或者，納米顆粒層可同時連接于第一導(dǎo)體 15的下表面30和第二導(dǎo)體20的上表面35上。納米顆粒層27由選自含碳納米顆粒、金屬納米線及它們的混合物的納米顆粒材 料制成。含碳納米顆粒包括碳納米管。碳納米管和/或金屬納米線可呈現(xiàn)優(yōu)秀的熱學(xué)和電 學(xué)傳導(dǎo)性能。
適合本發(fā)明使用的碳納米管包括單壁碳納米管、多壁碳納米管以及它們的混合 物。碳納米管可通過現(xiàn)有技術(shù)中的各種常規(guī)方法制得。例如，碳納米管可通過化學(xué)氣相沉 積(CVD)方法處理來生長碳納米管而制得。碳納米管可直接在表面界面上生長(例如，圖 2A所示的導(dǎo)體表面30和/或35)，從而形成納米顆粒層(例如，圖2A所示的納米顆粒層 27)。表面界面可由多種材料，包括但不限于，銅、鋁以及它們的混合物制成。表面界面通常 被清潔以去除任何表面油脂，而后將適合的催化劑施加在潔凈的表面上。適合的催化劑包 括但不限于，例如，鋁、鎳、鐵以及它們的混合物。催化劑可通過現(xiàn)有技術(shù)中的各種常規(guī)方法 施加。適合的技術(shù)包括但不限于，例如，濺射淀積。在施加催化劑之后，通過使用含碳?xì)怏w (例如但不限于，甲烷、乙烷以及它們的混合物)來進行CVD處理。作為非限制性示例，納米顆粒層上碳納米管的濃度達到大約每平方厘米十億個。作為另一個例子，納米顆粒材料包括金屬納米線。金屬鈉米線可通過現(xiàn)有技術(shù)中 的各種常規(guī)方法制得，包括，但不限于，例如通過電鍍或CVD處理生長金屬和金屬氧化物納 米線。適合的金屬包括但不限于例如鋅、鎳、銀、錫以及它們的混合物。金屬納米線可直接 生長于表面界面(例如，圖2A所示的導(dǎo)體表面30和/或35)以形成納米顆粒層(例如，圖 2A所示的納米顆粒層27)。上文所述的適合使用的表面界面和制備基底的步驟(例如，清 潔和在其上施加催化劑)同樣可應(yīng)用于這里。金屬納米線可在特定電解質(zhì)溶液中通過電鍍 法生長而得。圖3是包含第一導(dǎo)體55、第二導(dǎo)體60和基底65的電界面50的分解示意圖。基 底65位于第一和第二導(dǎo)體55、60之間。第一和第二導(dǎo)體55、60可由上文所述的圖2中第 一和第二導(dǎo)體15、20的材料構(gòu)成。第一導(dǎo)體55具有上表面70和下表面75。第二導(dǎo)體60 具有上表面80和下表面85?；?5具有第一表面90和相對第二表面95。圖3A展示了包含納米顆粒層92、97的電界面50。納米顆粒層92耦合至基底65 的第一表面90，且納米顆粒層97耦合至基底65的相對第二表面95?；?5可由，例如， 金屬箔制成。適合的金屬箔可以包括現(xiàn)有技術(shù)中的各種材料。例如，金屬箔本身可通過電 鍍法生長而得到。非限制性示例可包括但不限于銅、鋁、貴金屬例如銀、以及它們的混合物。 納米顆粒層92、97可由上述納米顆粒材料制得。納米顆粒材料可以直接生長在基底65的 第一表面90和相對第二表面95上。生長過程可包括使用上文所述的CVD處理。基底65 的第一表面90上的納米顆粒層92電耦合至第一導(dǎo)體55的下表面75，且第二導(dǎo)體60的上 表面80電耦合至基底65的相對第二表面95上的納米顆粒層97。盡管只展示了一種示例 結(jié)構(gòu)，應(yīng)該了解，可選的，第一表面90和相對第二表面95中的僅僅一個可只有包含納米顆 粒層(例如92或97)。例如，第一導(dǎo)體55的下表面75和第二導(dǎo)體60的上表面80中至少一個也可包含 納米顆粒層(未示出)。圖4是包含第一導(dǎo)體115、第二導(dǎo)體120和基底122的電界面100的分解示意圖?；?22位于第一導(dǎo)體115和第二導(dǎo)體120之間。第一和第二導(dǎo)體115、120可使用上文所 述的圖2中的第一和第二導(dǎo)體15，20的相同材料制得。第一導(dǎo)體115具有上表面125和下 表面130。第二導(dǎo)體120具有上表面135和下表面140?；?22具有第一表面123和相 對第二表面124?；?22是由至少一層包含含碳納米顆粒、金屬納米線或者它們的混合 物的薄片制成的納米顆粒層。含碳納米顆粒包括碳納米管、碳納米纖維以及它們的混合物。 適合使用的薄片可包括已知的納米顆粒層諸如，但不限于，巴克紙(buckypaper)。巴克紙可 通過分散和過濾含碳納米管和/或碳納米纖維的懸浮液而制得。巴克紙可呈現(xiàn)良好的熱學(xué) 和電學(xué)傳導(dǎo)性?；?22的第一表面123電耦合至第一導(dǎo)體115的下表面130，且第二導(dǎo)體 120的上表面135電耦合至基底122的相對第二表面124。作為非限制性示例，納米顆粒材料薄片，例如但不限于，碳納米管和/或碳納米纖 維，可通過使用彈性體作為聚合物基體而制得。可采用硅烷醇固化縮聚反應(yīng)技術(shù)。碳納米管 和/或碳納米纖維優(yōu)選均勻地混合到彈性體中?；旌系綇椥泽w之前碳納米管和/或碳納米 纖維可以先進行提純和/或研磨。納米顆粒材料，例如但不限于，碳納米管和/或碳納米纖 維，在混合物中的含量可以不同。例如，納米顆粒材料可以是混合物重量的大于0%而小于 100 %。在優(yōu)選實施例中，納米顆粒材料可以是混合物重量的2 %到80 %或5 %到50 %。許 多常規(guī)裝置都可用來混合這些組分。適合的混合裝置包括但不限于擠壓機和速度混合機。 適合的彈性體可包括現(xiàn)有技術(shù)下已知的許多材料，例如但不限于，硅氧烷彈性體，氟彈性體 以及它們的混合物。非限制性示例包括氟硅氧烷、聚二甲基硅氧烷以及它們的混合物。在 一個實施例中，彈性體具有800克/摩爾到100，000克/摩爾的分子重量。彈性體實質(zhì)上 可為液態(tài)或固態(tài)形式?；旌衔镆舶ń宦?lián)劑和可選的催化劑。交聯(lián)劑和催化劑可選自現(xiàn)有 技術(shù)下已知的材料。適合的交聯(lián)劑的非限制性示例包括但不限于聚二乙氧基硅氧烷。適合 的催化劑的非限制性示例包括但不限于鉬、雙胺、雙酚、過氧化物、二烷基錫羰化物以及它 們的混合物。交聯(lián)劑和催化劑的用量可以變化。例如，交聯(lián)劑可以占混合物重量的到 15%。當(dāng)使用催化劑時，例如，催化劑可以占混合物重量的到15%。通過使用例如模具的裝置，將混合物在負(fù)載下擠壓成所希望的形狀?；旌衔锟杀?鑄模成基本任何形狀，例如但不限于，方形、圓形、長方形和它們的組合。例如，(例如圖4所 示的電界面100)在成形的混合物上打孔以用于螺栓連接。然后成形的混合物可以被固化 以形成最終的充分柔韌的納米顆粒材料(例如碳納米管和/或納米纖維)薄片。固化可在 現(xiàn)有已知的固化彈性體材料的多種常規(guī)溫度和壓力條件下進行。在一個實施例中，固化在 室溫實施，例如但不限于，18°C -23°C，和/或在大氣條件下。在另一個實施例中，固化在高 溫下施行。這個方法比已知方法具有優(yōu)勢，因為可以更加容易地制備薄片以及能在批量生 產(chǎn)時規(guī)?；a(chǎn)過程。生成的薄片具有充分的柔韌性且其含有占薄片重量的50%的納米顆粒材料(例如碳納米管和/或碳納米纖維)。例如，至少一個薄片也可包含金屬納米線。圖5是包含第一導(dǎo)體155、第二導(dǎo)體160和基底165的電界面150的分解示意圖。 基底165位于第一導(dǎo)體155和第二導(dǎo)體160之間。第一和第二導(dǎo)體155、160可使用上文 所述的圖2中的第一和第二導(dǎo)體15、20的相同材料制得?；?65可由上文所述基底65、 122的相同材料制成。第一和第二導(dǎo)體155、160電耦合在一起。進一步地，第一和第二導(dǎo) 體155、160被緊固件機械耦合在一起。適合的緊固件可包括多種現(xiàn)有技術(shù)中已知的包含但不限于這里先前所描述的那些。如圖5所示，第一導(dǎo)體155上形成有開孔200和201 ；基底 165上形成有開孔202和203，第二導(dǎo)體160上形成有開孔204和205。開孔200、201、202、 203,204,205可通過使用任意常規(guī)技術(shù)例如鉆孔制得。開孔200、202和204垂直對準(zhǔn)，且開 孔201，203和205垂直對準(zhǔn)。螺絲或螺栓220、221與墊片240、241分別耦合到一起，并且 分別插入開孔200、201中的每個，接著分別穿過開孔202、203，再分別穿過204、205。墊片 240,241和242、243和螺母244、245分別耦合到第二導(dǎo)體160的下表面161上的螺絲或螺 栓 220、221。例如但不限于，電界面150形成電源導(dǎo)體的螺栓接合。本文詳細(xì)描述了本發(fā)明的特定實施例，那些本領(lǐng)域技術(shù)人員會意識到，他們能夠 根據(jù)本發(fā)明的全部教導(dǎo)開發(fā)出那些細(xì)節(jié)的不同的修改和替代物。因此，公開的特定方案僅 僅是說明性的，并且不限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍以附加權(quán)利要求的所有范圍以及 任意其它等效的范圍為準(zhǔn)。附圖標(biāo)記1電界面1 ‘電界面2第一導(dǎo)體2'第一導(dǎo)體3第二導(dǎo)體3'第二導(dǎo)體4接觸區(qū)域4'接觸區(qū)域4〃接觸區(qū)域5納米顆粒層10電界面 15第一導(dǎo)體20第二導(dǎo)體25上表面27納米顆粒層28第一表面29相對第二表面30下表面35上表面40下表面50電界面55第一導(dǎo)體60第二導(dǎo)體65基底70上表面 75下表面
80上表面85下表面90第一表面92納米顆粒層95相對第二表面97納米顆粒層100電界面115第一導(dǎo)體120第二導(dǎo)體122基底123第一表面124相對第二表面125上表面130下表面135上表面140下表面150電界面155第一導(dǎo)體160第二導(dǎo)體161下表面165？ 底200,201,202,203,204>205開孔220、221螺絲或螺栓240、241、242、243墊片244、245螺母。
權(quán)利要求
一種電界面[10]，包括具有表面的第一導(dǎo)體[15]；具有第一表面[28]和相對第二表面[29]的納米顆粒層[27]，所述納米顆粒層[27]的第一表面[28]電耦合至所述第一導(dǎo)體[15]的表面；以及第二導(dǎo)體[20]，其具有電耦合至所述納米顆粒層[27]的相對第二表面[29]的表面。
2.如權(quán)利要求1所述的電界面[10]，其中所述第一和第二導(dǎo)體[15，20]是電源導(dǎo)體。
3.如權(quán)利要求1所述的電界面[10]，其中所述納米顆粒層[27]包括選自含碳納米顆 粒、金屬納米線及它們的混合物的納米顆粒材料。
4.如權(quán)利要求3所述的電界面[10]，其中所述含碳納米顆粒包括碳納米管。
5.如權(quán)利要求3所述的電界面[10]，其中所述含碳納米顆粒包括碳納米纖維。
6.如權(quán)利要求4所述的電界面[10]，其中所述碳納米管形成在所述第一導(dǎo)體[15]的 表面和所述第二導(dǎo)體[20]的表面中的至少一個表面上。
7.如權(quán)利要求6所述的電界面[10]，其中所述碳納米管通過化學(xué)氣相沉積法形成。
8.如權(quán)利要求4所述的電界面[10]，其中所述納米顆粒層[92，97]包括具有第一表面 [90]和相對第二表面[95]的金屬箔；以及其中所述碳納米管形成在所述金屬箔的第一表 面[90]和相對第二表面[95]中的至少一個表面上。
9.如權(quán)利要求8所述的電界面[10]，其中所述碳納米管通過化學(xué)氣相沉積法形成。
10.如權(quán)利要求3所述的電界面[10]，其中所述金屬納米線包括選自鋅、鎳、銀、錫以及 它們的混合物的金屬。
11.如權(quán)利要求3所述的電界面[10]，其中所述金屬納米線形成在所述第一導(dǎo)體[15] 的表面和所述第二導(dǎo)體[20]的表面中的至少一個表面上。
12.如權(quán)利要求11所述的電界面[10]，其中所述金屬納米線通過化學(xué)氣相沉積法形成。
13.如權(quán)利要求11所述的電界面[10]，其中所述金屬納米線通過電鍍法形成。
14.如權(quán)利要求3所述的電界面[10]，其中所述納米顆粒層[92，97]包括具有第一表 面[90]和相對第二表面[95]的金屬箔；以及其中所述金屬納米線形成在所述金屬箔的第 一表面[90]和相對第二表面[95]中的至少一個表面上。
15.如權(quán)利要求14所述的電界面[10]，其中所述金屬納米線通過化學(xué)氣相沉積法形成。
16.如權(quán)利要求14所述的電界面[10]，其中所述金屬納米線通過電鍍法形成。
17.如權(quán)利要求4所述的電界面[10]，其中所述碳納米管形成薄片。
18.如權(quán)利要求5所述的電界面[10]，其中所述碳納米纖維形成薄片。
19.如權(quán)利要求4所述的電界面[10]，其中所述碳納米管選自多壁碳納米管、單壁碳納 米管以及它們的混合物。
20.如權(quán)利要求1所述的電界面[10]，其中所述電界面形成電源導(dǎo)體的螺栓接合。
21.如權(quán)利要求1所述的電界面[10]，其中所述第一和第二導(dǎo)體[10，15]由選自鋁、銅 以及它們的混合物的材料制成。
22.如權(quán)利要求1所述的電界面[10]，其中所述第一導(dǎo)體[155]、納米顆粒層[165]和 第二導(dǎo)體[160]通過至少一個緊固件機械耦合在一起。
23.如權(quán)利要求22所述的電界面[10]，其中所述至少一個緊固件選自螺絲[200，201， 202，203，204，205]、螺栓[201，202，203，204，205]、墊片[240，241，242，243]、螺母[244， 245]以及它們的組合。
全文摘要
一種電界面包含納米顆粒層。電界面還包含第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體。納米顆粒層與第一和第二導(dǎo)體電耦合在一起。
文檔編號H01B1/02GK101840746SQ20101017134
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月18日
發(fā)明者A·A·埃爾莫斯, J·A·麥普克爾, J·J·本克, R·W·米勒, W·E·比蒂, X·周 申請人:伊頓公司