本发明专利技术涉及一种中低压电器开关用的铜基电接触复合材料，特别涉及采用放电等离子烧结工艺制备铜基电接触复合材料的方法。本发明专利技术的铜基复合材料是由以下重量配比的材料组成：0.5-4%铋，0.05-0.4%镧，0.05-0.3%碳纳米管（镀镍），其余为铜及其他不可避免的杂质。本发明专利技术材料通过制备合金粉、配料、球磨、放电等离子烧结的制备方法制成，采用放电等离子烧结工艺，具有升温速度快，烧结时间短、获得材料致密度高、性能好等特点，对于实现优质高效、低耗低成本的材料制备具有重要意义。本发明专利技术以铜为基体，主要原材料资源丰富，材料的导电导热性、抗电弧烧蚀、抗氧化性等可与银基电接触材料相媲美，能满足电接触等制件对材料的基本要求。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种中低压电器开关用的铜基电接触复合材料，特别涉及采用放电等离子烧结工艺制备铜基电接触复合材料的新方法。
技术介绍
弱电接触元件是仪器仪表的关键部件，对仪器仪表的寿命和工作可靠性起着重要作用，为了保证弱电触头工作可靠性，国内外普遍采用贵金属银及其合金材料制作。近年来，为了减少银金属的损耗，人们不断寻求新的节银、代银技术途径。铜的电和导热性质上与银最相近，所以，铜是作为导电材料，代替银的最合适元素，但是铜作为电接触材料的主要障碍在于铜基材料表面在大气环境条件下容易氧化，且其氧化物(CuO和Cu20)具有很低的电导率，急剧增大了元件的接触电阻，使材料在使用中容易发热，直接影响电开关的工作可靠性和寿命，使铜及一般的铜合金难于作为接触材料应用。另外，一般铜合金尚不能满足电触头元件综合电性能方面的要求。目前已有的铜-石墨复合导电材料因电接触表面存在较严重的氧化问题，所以其应用得到限制，仅在真空开关控制电路中得到成功应用。由于低压开关较小的开关力，这使电触头表面生成的氧化膜不易被破坏，由于其的存在，使接触元件导电性能恶化。另外，现在的银触头中主要添加金属镉作为低熔点组元，以提高抗熔焊性等性能，但镉组元有很大的毒性，国际上已经禁止使用。目前，凡是采用粉末冶金法制备复合材料的制备工艺，采用的是冷压烧结法、温压烧结法、热压烧结法等。以上工艺方法烧结耗时较长，生产效率低，而且材料性能受到一定的制约。放电等离子烧结(SPS)是近年来发展起来的一种新型的快速烧结技术，该技术是在加压粉体粒子间直接通入脉冲电流，由火花放电瞬间产生的等离子体进行加热，利用体加热和表面活化，实现超快速致密化烧结。该工艺具有升温速度快，烧结时间短、晶粒均匀、有利于控制少烧结的微观组织结构、获得材料致密度高、性能好等特点，对于制备优质高效、低耗低成本的材料具有突出的优势和作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种价格低廉、资源丰富、致密度高、导电导热好、接触电阻小且稳定、抗氧化性及力学性能良好、并易加工制备的铜基电接触复合材料，以替代价格高的银基电接触材料。本专利技术的另一目的在于提供上述材料的一种快速制备成型方法，并使制备的材料具有更好的性能。本专利技术是通过以下措施来实现的: 本专利技术的铜基电接触复合材料是由以下重量百分比的材料组成:0.5-4%铋，0.05-0.4%镧，0.05-0.3%碳纳米管(镀镍)，其余为铜及其他不可避免的杂质。本专利技术的铜基电接触复合材料，其优选组成为:2%铋，0.1%镧，0.1%碳纳米管(镀镍)，其余为铜及其他不可避免的杂质。本专利技术的一种铜基电接触复合材料放电等离子烧结工艺，其具体步骤为: (1)首先，采用雾化法将镧和铜制成镧含量为0.1-0.4%的镧-铜合金粉，按照所述成分配比，将粒度为100-200目的铜-镧合金粉、铋粉和镀镍碳纳米管进行球磨混粉3-7小时，球磨机转速为每分钟200-400转； (2)将上述混合均匀的粉末放入模具中进行放电等离子烧结。初始压力为5-25MPa，烧结温度为400-800°C，保温时间为5-8min。在达到预定的温度时施加压力，保压压力为10-50MPa,升温速率为70-90°C /min，冷却到200°C后取样。整个烧结过程保持烧结腔内真空度低于10Pa。本专利技术的制备方法中，球磨所用料球为玛瑙球，球料比为15:1。本专利技术的制备方法中，镀镍碳纳米管采用化学镀镍法，其具体步骤为:先用68%浓硝酸对碳纳米管进行氧化处理，时间为lOmin ;再在0.04g/mL的NaOH溶液中浸泡lOmin，温度为80°C，过滤水洗；随后依次将碳纳米管置入清水和去离子水进行超声清洗，再用0.053g/mL的NiS04于室温浸泡lOmin ;过滤水洗后，用KBH4还原碳纳米管吸附的Ni 2+;将清洗好的碳纳米管置于镀液中30min，镀槽选用200mL烧杯，置于电热恒温水浴锅中，温度为80 °C，不加搅拌。本专利技术的制备方法中，化学镀镍所用镀液的组成为:NiS04.6H20 (硫酸镍)0.0425g/mL, NaH2P02.H20(次亚磷酸钠)0.028g/mL, NaC6H507.2H20(柠檬酸钠)0.0625g/mL, NaAc (无水醋酸钠)0.05g/mL, pH 为 6.0-6.3。本专利技术选用铜作为材料基体，金属铜与银相比价格低廉，且资源较丰富，其导电导热性、抗熔焊性、电流蚀及耐磨性均可与银媲美，能满足电接触材料基体的要求。考虑到接触材料力学性能、综合接触电性能等综合要求，在铜基体中添加稀土镧以改善抗氧化性能，添加低熔点组元铋以改善材料的抗电弧烧蚀性，添加了适量的碳纳米管，以提高材料的抗熔焊性等电性能，并获得良好的力学性能，这主要是利用碳纳米管具有高强度、高模量和良好的导电导热性等特点；由于碳纳米管与铜的界面结合不好，而金属镍与金属铜的结合良好，碳纳米管镀镍明显改善了金属铜与碳纳米管的结合。本专利技术的铜基电接触复合材料主要用于中低电负载的电源开关、继电器、直流接触器、空气开关等低压电器中。本专利技术材料的抗熔焊性能强，耐氧化性能、灭弧性能好，耐磨性能良好，电接触性能和银基电接触材料相近，是低中压开关中常用的银合金电接触材料的廉价替代品。采用本专利技术的放电等离子烧结制备方法制备的上述复合材料，材料的致密度高，材料具有优良的电性能和力学性能，且制备工艺简单，制备效率高。【具体实施方式】实施例1: 本实施例材料的组成重量配比为:2%铋，0.1%镧，0.1%碳纳米管(镀镍)，其余为铜及其他不可避免的杂质。按照组成配比和制备工艺步骤，首先，将稀土镧和铜制成镧含量为0.4%、粒度为100-400目的铜-镧合金粉；然后加入粒度为200目的铋粉、碳纳米管(镀镍)、铜粉配成所需比例进行球磨混合，球磨时间为3小时，转速为400转/min,球磨所用料球为的玛瑙球，球料比为15:1 ;混合均匀后用SPS-2040烧结装置烧结成型，初始压力为5MP当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种铜基电接触复合材料及其放电等离子烧结工艺。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：肖振，耿浩然，刘焕超，王梦洁，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
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