石墨烯增強(qiáng)銀/金屬氧化物電接觸復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種材料技術(shù)領(lǐng)域的金屬基復(fù)合材料的制備方法，具體地說，涉及的是一種石墨烯增強(qiáng)銀/金屬氧化物電接觸復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯因其非同尋常的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，極高的硬度、強(qiáng)度和耐腐蝕性等而成為研究熱點(diǎn)，并隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯將最先應(yīng)用于移動設(shè)備、航空航天、新能源電池等領(lǐng)域。雖然石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究發(fā)展緩慢，但石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及機(jī)械性能將給金屬基復(fù)合材料性能提升帶來重大變革。近幾年來相關(guān)研究報道不斷增加。
[0003]公開號為CN104700961A的中國發(fā)明專利，提供了一種石墨烯/銀復(fù)合材料及其制備方法，在氧化石墨烯溶液中先后加入還原劑與硝酸銀，還原制得的銀粉直接與溶液中氧化石墨烯復(fù)合，初步得到氧化石墨烯/銀復(fù)合粉，將其干燥還原得到石墨烯/銀復(fù)合粉，再通過粉末冶金、熱擠壓、乳制技術(shù)得到石墨烯/銀的復(fù)合塊材、復(fù)合絲材、復(fù)合帶材。該發(fā)明制備的復(fù)合材料中石墨烯分散均勻，且基體與增強(qiáng)體界面結(jié)合良好。但單純以石墨烯為增強(qiáng)相，復(fù)合材料的抗電弧侵蝕能力差，材料損失率高，不能大規(guī)模應(yīng)用，只能應(yīng)用于特定條件。
[0004]公開號為CN102385938A的中國發(fā)明專利，提供了一種金屬基石墨烯復(fù)合電接觸材料的制備方法，采用0.02wt%-10wt5^^^石墨稀，其余為金屬基體材料，通過化學(xué)還原結(jié)合真空熔煉法制得復(fù)合材料。此專利所用原料為石墨烯片、化學(xué)還原制備基體金屬，結(jié)合的成型工藝為真空熔煉。該方法制備的復(fù)合電接觸材料具有比其他復(fù)合電接觸材料更優(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(qiáng)。但是該發(fā)明中采用了非環(huán)保還原劑，且熔煉法很難控制石墨烯的均勻分散。同時，單一石墨烯增強(qiáng)，對材料應(yīng)用造成極大地限制。
[0005]雖然上述研究中石墨烯的加入能夠一定程度上提高材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和機(jī)械性能，但石墨烯作為增強(qiáng)相完全替代其他增強(qiáng)相來實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)的功能還尚不可能。因此，本申請人在研究傳統(tǒng)銀基電接觸材料的基礎(chǔ)上，將石墨烯的優(yōu)異性能與之結(jié)合，從而達(dá)到對傳統(tǒng)銀基電接觸材料性能的改善，這種新型電接觸材料將有望大規(guī)模應(yīng)用，改變目前電接觸材料的世界格局。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足和缺陷，提供一種石墨烯增強(qiáng)銀/金屬氧化物電接觸復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明采用銀作為基體材料，石墨烯作為第一增強(qiáng)相，金屬氧化物(MeO)顆粒作為第二增強(qiáng)相，制備出致密度高、導(dǎo)電性能好、抗熔焊能力強(qiáng)，接觸電阻低的銀/石墨稀/金屬氧化物(AgGRMeO)復(fù)合材料。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:本發(fā)明是先運(yùn)用化學(xué)法制備得到銀石墨烯復(fù)合粉，再將金屬氧化物增強(qiáng)相Sn02、Zn0等與銀石墨稀復(fù)合粉混合，通過粉末冶金、熱擠壓技術(shù)得到制備AgGRMeO復(fù)合材料，在保持Ag/MeO復(fù)合材料原有性能的同時，可以提高其電導(dǎo)率及抗熔焊能力，降低接觸電阻，該制備方法操作簡單、工藝易控，成本低，易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，所述銀基復(fù)合材料組織均勻，性能穩(wěn)定。
[0008]本發(fā)明的第一目的是提供一種石墨烯增強(qiáng)銀/金屬氧化物電接觸復(fù)合材料的制備方法，所述方法包括如下步驟:
[0009]第一步，將銀/氧化石墨烯復(fù)合粉進(jìn)行還原，得到銀/石墨烯復(fù)合粉；
[0010]第二步，將獲得的銀/石墨烯復(fù)合粉與MeO粉體進(jìn)行混粉，得到AgGRMeO復(fù)合粉體；
[0011]第三步，采用粉末冶金技術(shù)，將所述AgGRMeO復(fù)合粉體進(jìn)行成型、燒結(jié)處理，得到高致密度的AgGRMeO復(fù)合材料，S卩石墨稀增強(qiáng)銀/金屬氧化物電接觸復(fù)合材料。
[0012]優(yōu)選的，所述第一步中:所述銀/氧化石墨烯復(fù)合粉是通過化學(xué)合成法制得。具體的:將氧化石墨烯溶液與還原劑溶液混合，然后該混合液與硝酸銀溶液混合，進(jìn)而充分混合反應(yīng)獲得銀/氧化石墨烯復(fù)合粉的懸濁液，經(jīng)沉降、洗滌、干燥獲得純凈的銀/氧化石墨烯復(fù)合粉。
[0013]更優(yōu)選的，所述還原劑為抗壞血酸、葡萄糖、檸檬酸、草酸等無毒環(huán)保型還原劑中的一種或幾種。還原劑溶液及硝酸銀溶液的濃度均為0.lmol/L-lmol/L，氧化石墨稀溶液的質(zhì)量濃度為0.5%-1.8%，氧化石墨稀添加量占復(fù)合材料總質(zhì)量的0.3wt%-5wt%。
[0014]優(yōu)選的，所述第一步中，由于氧化石墨烯表面的含氧基團(tuán)會阻礙電子的傳輸，降低復(fù)合材料的導(dǎo)電性能，需要對銀/氧化石墨烯復(fù)合粉進(jìn)行還原處理。該過程在氫氣氣氛下加熱還原，加熱溫度為300 0C -700 0C，加熱時間3-12小時，得到銀/石墨烯復(fù)合粉。
[0015]優(yōu)選的，所述第二步中，運(yùn)用V型混料機(jī)或球磨機(jī)等將銀/石墨烯復(fù)合粉與MeO粉體混合均勻，混粉時間為3-8小時，其中MeO粉體的添加量占復(fù)合材料總質(zhì)量的8wt %_18wt %。
[0016]優(yōu)選的，所述第三步中，粉末冶金技術(shù)包括冷等靜壓與燒結(jié)過程，等靜壓壓力為0.6GPa-6GPa，燒結(jié)溫度為500 °C -900 °C，燒結(jié)時間為3_12小時，燒結(jié)氣氛為氮?dú)狻?br>[0017]作為一個優(yōu)選方式，在第三步之后，進(jìn)一步包括第四步:將所述AgGRMeO復(fù)合材料進(jìn)行擠壓處理，材料組織進(jìn)一步致密化，得到AgGRMeO絲材。
[0018]優(yōu)選地，所述第四步中，熱擠壓的溫度為500°C-800°C，擠壓比為20-80。
[0019]本發(fā)明的金屬氧化物，主要指Sn02、Zn0、Cd0等任一種，主要起到增強(qiáng)作用，同時改善復(fù)合材料的抗電弧侵蝕，降低材料轉(zhuǎn)移率。
[0020]本發(fā)明的第二目的是提供一種由上述方法制備得到的石墨烯增強(qiáng)銀/金屬氧化物電接觸復(fù)合材料。本發(fā)明材料在銀金屬氧化物的基礎(chǔ)上，引入了石墨稀，MeO與銀石墨稀復(fù)合粉進(jìn)行混合，提高改善了傳統(tǒng)電接觸材料的一些性能。
[0021]本發(fā)明中，可以方便控制石墨烯、MeO的添加量及銀基體的形貌粒徑，優(yōu)選的，氧化石墨稀添加量為0.3wt%-5wt%，MeO的添加量為8wt%-18wt%，余量為銀，化學(xué)還原制備的銀粉形貌為球形，粒徑為0.2μπι-8μπι。石墨烯增強(qiáng)效果明顯，可較好地滿足不同的應(yīng)用需求。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果:
[0023](I)石墨稀的加入，有效改善了傳統(tǒng)Ag/MeO復(fù)合材料的抗恪焊性能、溫升特性等，并降低了其接觸電阻。
[0024](2)進(jìn)一步的，采用氫氣先將銀/氧化石墨烯復(fù)合粉還原，得到銀/石墨烯復(fù)合粉，再與金屬氧化物粉體混合，這樣的工藝順序，避免了氫氣將金屬氧化物粉體還原的可能。
[0025](3)進(jìn)一步的，粉末冶金過程中的燒結(jié)處理，全程采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，保證了石墨烯的結(jié)構(gòu)不被破壞。
[0026](4)進(jìn)一步的，采用化學(xué)法制備銀/氧化石墨烯復(fù)合粉，可保證氧化石墨烯的均勻分散，且復(fù)合效果好。
[0027]綜上，本發(fā)明通過化學(xué)合成技術(shù)、粉末冶金技術(shù)以及進(jìn)一步的熱擠壓技術(shù)之間的相互聯(lián)系配合，能夠制備出性能優(yōu)異的AgGRMeO復(fù)合材料，突破了一系列科學(xué)問題及技術(shù)難題。相比無石墨稀增強(qiáng)的Ag/MeO電接觸復(fù)合材料，AgGRMeO復(fù)合材料觸頭的電壽命提高了20%?30%，接觸電阻降低了 15%?30%，熔焊力降低10%?20%。
[0028]本發(fā)明以一種環(huán)保、低成本、可控性好的生產(chǎn)工藝手段實(shí)現(xiàn)高性能石墨烯增強(qiáng)銀基電接觸材料的制備，不僅具有重要的科研價值，而且具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明較優(yōu)實(shí)施例的AgGRMeO復(fù)合材料的制備工藝流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0031 ]如圖1所示，該圖是本發(fā)明較優(yōu)實(shí)施例的AgGRMeO復(fù)合材料的制備工藝流程圖，AgGRMeO復(fù)合材料的制備工藝可按照該流程依次進(jìn)行，也可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，選擇進(jìn)行其中的個別步驟。
[0032]以下優(yōu)選的實(shí)施例中，銀/氧化石墨烯復(fù)合粉是通過化學(xué)合成法制得。
[0033]在一些實(shí)施例中，所述化學(xué)合成法是指:氧化石墨烯溶液與還原劑溶液混合，然后該混合液與硝酸銀溶液混合，進(jìn)而充分混合反應(yīng)獲得銀/氧化石墨烯復(fù)合粉的懸濁液，經(jīng)沉降、洗滌、干燥獲得純凈的銀/氧化石墨烯復(fù)合粉。
[0034]優(yōu)選的，所述還原劑為抗壞血酸、葡萄糖、檸檬酸、草酸等無毒環(huán)保型還原劑中的一種或幾種。還原劑溶液及硝酸銀溶液的濃度均為0.1mol/L-lmol/L，
[0035]進(jìn)一步的，所述還原劑溶液為抗壞血酸、葡萄糖、檸檬酸、草酸等中的一種或幾種。
[0036]進(jìn)一步的，所述氧化石墨烯溶液的質(zhì)量濃度為0.5%-1.8%，氧化石墨烯添加量占復(fù)合材料總質(zhì)量的0.3wt%_5wt%。
[0037]進(jìn)一步的，所述洗滌次數(shù)不少于5次。
[0038]進(jìn)一步的，所述干燥采用冷凍干燥法干燥。
[0039]當(dāng)然，以上只是本發(fā)明部分較優(yōu)實(shí)施例采用的化學(xué)合成法，在其他實(shí)施例中，也可以采用其他的方法制備銀/氧化石墨烯復(fù)合粉，同樣適用于本發(fā)明。
[0040]實(shí)施例一
[0041 ]本實(shí)施例1制備銀/石墨烯/氧化錫復(fù)合材料的基本操作步驟如下:
[0042]I)銀/石墨烯/氧化錫復(fù)合材料的材料成分
[0043]銀/石墨烯/氧化錫復(fù)合材料的材料成分主要