專利名稱：納米碳管復合電接觸材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種復合材料技術領域的電接觸材料，具體地說，是一種納米碳管復合電接觸材料。
背景技術：
電接觸材料用于制作活動電連接的觸點，是電力、自控、信息傳遞等領域常用的關鍵材料之。電接觸現(xiàn)象是一種十分復雜的物理現(xiàn)象，這對電接觸材料提出了許多苛刻的、甚至是矛盾的要求，譬如高電導、低接觸電阻、高熱導、高耐磨、耐蝕、抗焊、抗沖擊等特性。傳統(tǒng)的電接觸材料大多是貴金屬(Ag，Au，Pt等)材料與陶瓷顆粒通過一定方法合成的金屬基復合材料，如Ag/SnO2、Ag/CdO等。納米碳管是1991年才被發(fā)現(xiàn)的一種新型碳結(jié)構(gòu)，它是由碳原子形成的石墨烯片層卷成的無縫、中空的管體。一般可分為單壁納米碳管和多壁納米碳管，單壁納米碳管比較細，其直徑大多在數(shù)納米左右，多數(shù)集中分布在0.8～2nm附近，多壁納米碳管由幾層到幾十層的同心管套疊而成，直徑多在4nm以上。由于納米碳管的直徑很小、長徑比大，故可視為準一維納米材料。
經(jīng)對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，吳元康、余琨、熊曉輝、于海梁在《納米晶金剛石織構(gòu)粒子增強銀基電接觸復合鍍層的研究》(《電鍍與涂飾》，2002年03期)一些較新型的增強相正被不斷地開發(fā)利用，如La2O3、MoS2、Al2O3，石墨，金剛石，被用于Ag、Cu、Au及其合金為基體的材料，構(gòu)造各種電接觸材料體系。這些增強相顆粒具有硬度高、耐磨、導熱性好、耐高溫和耐各種介質(zhì)腐蝕等優(yōu)點，但是它們通常不是電的良導體，作為增強相加入一般會導致整體導電性降低，作為電接觸材料，這是一種令人惋惜的損失。如銀基金剛石電接觸復合鍍層，其顯微硬度及耐磨性隨金剛石復合量的增加明顯提高，而其接觸電阻卻也隨之增加。此外，目前使用最普及的CdO增強相材料還是一種毒性很強的環(huán)境污染，一些國家已經(jīng)立法禁止使用它，因此，探索新的增強相物質(zhì)一直是人們關注的研究領域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中存在的不足，提供一種納米碳管復合電接觸材料，使其采用機械特性和導電性都非常優(yōu)越的納米碳管作為增強相物質(zhì)，取代CdO、SnO2、MoS2、WC、SiC、La2O3、金剛石粉等傳統(tǒng)增強相物質(zhì)，不但可以保持基體金屬的良好導電性，而且能夠克服鎘污染難題，同時有望通過納米碳管的突出特性，賦予電接觸材料一些額外的優(yōu)勢。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明的組分及其重量百分比為納米碳管0.02-5％，余量為基體金屬。
所述的納米碳管是直徑在20-100nm之間的多壁納米碳管，或者單壁納米碳管。
所述的多壁納米碳管可以進一步限定為直徑20-40nm，長1-2μm的多壁納米碳管；直徑40-60nm，長2-5μm的多壁納米碳管；直徑60-100nm，長5-10μm的多壁納米碳管。
所述的單壁納米碳管可進一步限定為直徑1-3nm，長1-2μm的單壁納米碳管。
所述的基體金屬是指可以通過電沉積反應制備的金屬及其合金。
所述的金屬基體可以進一步限定為Ag、Cu、Au或者它們之間的合金，也可以是上述金屬及其合金與其它金屬元素如Sn、Ni、Pt、P組成的多元合金。
碳納米管的結(jié)構(gòu)和幾何特點決定了它電子學上的獨特復雜性，由于電子的量子限域所致，電子有效的運動只能在單層石墨片中沿碳納米管的軸向方向，徑向運動受到限制，因此它們的波矢是沿軸向的。在碳納米管周圍傳播的電子只有特定波長的電子被保留下來，其他的則可能完全被抵消，只有三分之一的碳納米管具有恰當?shù)闹睆胶吐菪潭龋@些碳納米管具有金屬性，可看成準一維導線，其余三分之二則是半導體。納米碳管具有卓越的強度，大約是鋼的100倍，而密度只有鋼的1/6，并具有很好的柔韌性。從碳管的尺度和結(jié)構(gòu)形態(tài)上分析，它們特別適合于作為復合鍍層的改性添加物，在鍍層強度、耐磨性等方面獲得顯著改良的效果。本發(fā)明以納米碳管作為增強相，常用電接觸金屬為基體，制成納米碳管金屬基復合電接觸材料。納米碳管可以通過復合電鍍等方法被均勻分散到基體金屬材料之中，也就是將納米碳管作為添加劑，以一定的濃度加入能夠沉積基體金屬的電鍍液之中，通過共沉積實現(xiàn)納米碳管與基體金屬的有效復合，構(gòu)成金屬基納米碳管復合材料，并可以用碳管掩膜電鍍或者后續(xù)機械加工打方法，進一步制作成為具有一定幾何形狀的電觸點。
將納米碳管作為增強相使用，可使復合電接觸材料更符合電接觸應用要求，其具有一些特殊的優(yōu)點(1)納米碳管復合鍍層具有比非導電增強相復合電接觸材料更為優(yōu)越的導電性，因為納米碳管具有良好導電性，不但不會像其它常用增強相物質(zhì)那樣降低基體金屬的導電性，而且有可能進一步改善其導電能力。(2)納米碳管的熱傳導能力也是非常優(yōu)越的，不但遠遠高于常規(guī)增強相物質(zhì)，而且優(yōu)于一般金屬，所以，炭管的加入可能進一步增強其整體熱傳導能力。(3)納米碳管還可能提高復合材料的抗熔焊性能。傳統(tǒng)上提高抗熔焊的主要有兩種方法，一是增加導電傳熱特性，提高熔點和熱容；二是降低觸頭材料的熔焊力。前者前面已經(jīng)闡述過，對后者，納米碳管同樣擁有比較優(yōu)勢。一般地講，第二相粒子的添加可以增加焊縫處的脆性，降低焊縫的機械強度，使熔焊力下降。與通常的添加相石墨化合物和氧化物相比，納米碳管作為一種納米纖維，其降低熔焊力的效果從原理上應該更為明顯。(4)納米碳管復合電接觸材料可能具有更好的電弧特性。良好的導電傳熱特性，可以降低其電弧放電過程的溫升，減少燒損，納米碳管的一端深嵌于鍍層中，一端外露于表面，增加了鍍層的微觀粗糙度。研究表明，粗糙表面有利于弧根的快速移動，使局部區(qū)域不會被電弧嚴重侵蝕，因此有可能更有力于材料抵抗電弧侵蝕。
具體實施例方式
實施例1復合電接觸材料納米碳管0.02％，余量為Ag。
外觀銀白色金屬光澤，表面平整均勻。場發(fā)射掃描電鏡觀察微觀面，有均勻分散在基體中的納米碳管，并與Ag基體有良好界面。
材質(zhì)效果金屬延展性極佳，易于機械加工。通過電學測定實驗，導電性良好，電導率為44.8MS/m。通過熱學測定實驗，其導熱性優(yōu)異。運用落砂試驗機對其進行耐磨性實驗，由于納米碳管的自潤滑性，其耐磨性比純銀有一定提高。用此材料加工成電觸頭，并用快速試驗開關進行實驗，既加大電壓，電流，在較少的分斷次數(shù)內(nèi)產(chǎn)生較大的燒損，比較純銀材料所制成的觸頭，燒損情況有一定改善。
實施例2
復合電接觸材料納米碳管2％，余量為Ag。
外觀銀白色金屬光澤，略暗，表面平整均勻。場發(fā)射掃描電鏡觀察微觀面，有較多均勻分散在基體中的納米碳管，并與Ag基體有良好界面。
材質(zhì)效果金屬延展性較好，可以機械加工。通過電學測定實驗，導電性良好，電導率為38.5MS/m。通過熱學測定實驗，其導熱性優(yōu)異。運用落砂試驗機對其進行耐磨性實驗，由于納米碳管的自潤滑性，其耐磨性比純銀有明顯提高，提高率達30％。用此材料加工成電觸頭，并用快速試驗開關進行實驗，既加大電壓，電流，在較少的分斷次數(shù)內(nèi)產(chǎn)生較大的燒損，比較純銀材料所制成的觸頭，燒損情況有明顯改善。
實施例3復合電接觸材料納米碳管5％，余量為Ag。
外觀灰白色，略帶金屬光澤，表面平整均勻。場發(fā)射掃描電鏡觀察微觀面，有大量均勻分散在基體中的納米碳管，并與Ag基體有良好界面。
材質(zhì)效果金屬延展性有所下降，進行機械加工出現(xiàn)微裂紋，不宜冷加工形變。通過電學測定實驗，導電性良好，電導率為33.4MS/m。通過熱學測定實驗，其導熱性優(yōu)異。運用落砂試驗機對其進行耐磨性實驗，由于納米碳管的自潤滑性，其耐磨性比純銀有明顯提高，提高率達50％。用掩膜電鍍將此材料直接加工成電觸頭，并用快速試驗開關進行實驗，既加大電壓，電流，在較少的分斷次數(shù)內(nèi)產(chǎn)生較大的燒損，比較純銀材料所制成的觸頭，燒損情況有大幅改善。
實施例4復合電接觸材料納米碳管1％，余量為Cu。
外觀亮黃色金屬光澤，表面平整均勻。場發(fā)射掃描電鏡觀察微觀面，有較多均勻分散在基體中的納米碳管，其與Cu基體主要以機械鑲嵌方式結(jié)合。
材質(zhì)效果金屬延展性較好，可以機械加工。通過電學測定實驗，導電性良好，電導率為37.3MS/m。通過熱學測定實驗，其導熱性優(yōu)異。運用落砂試驗機對其進行耐磨性實驗，由于納米碳管的自潤滑性，其耐磨性比純銅有明顯提高，提高率達20％。用此材料加工成電觸頭，并用快速試驗開關進行實驗，既加大電壓，電流，在較少的分斷次數(shù)內(nèi)產(chǎn)生較大的燒損，比較純銅材料所制成的觸頭，燒損情況有明顯改善。
權利要求
1.一種納米碳管復合電接觸材料，其特征在于，組分及其重量百分比為納米碳管0.02-5％，余量為基體金屬。
2.根據(jù)權利要求1所述的納米碳管復合電接觸材料，其特征是，所述的納米碳管，是直徑在20-100nm之間的多壁納米碳管，或者單壁納米碳管。
3.根據(jù)權利要求2所述的納米碳管復合電接觸材料，其特征是，所述的多壁納米碳管，是直徑20-40nm，長1-2μm的多壁納米碳管。
4.根據(jù)權利要求2所述的納米碳管復合電接觸材料，其特征是，所述的多壁納米碳管，是直徑40-60nm，長2-5μm的多壁納米碳管。
5.根據(jù)權利要求2所述的納米碳管復合電接觸材料，其特征是，所述的多壁納米碳管，是直徑60-100nm，長5-10μm的多壁納米碳管。
6.根據(jù)權利要求2所述的納米碳管復合電接觸材料，其特征是，所述的單壁納米碳管，是直徑1-3nm，長1-2μm的單壁納米碳管。
7.根據(jù)權利要求2所述的納米碳管復合電接觸材料，其特征是，所述的基體金屬，是指通過電沉積反應制備的金屬及其合金。
8.根據(jù)權利要求1或7所述的納米碳管復合電接觸材料，其特征是，所述的金屬基體，是Ag、Cu、Au或者它們之間的合金，或者是Sn、Ni、Pt、P組成的多元合金。
全文摘要
一種納米碳管復合電接觸材料，屬于復合材料技術領域。本發(fā)明的組分及其重量百分比為納米碳管0.02－5％，余量為基體金屬。所述的納米碳管是直徑在20－100nm之間的多壁納米碳管，或者單壁納米碳管。所述的單壁納米碳管可進一步限定為直徑1－3nm，長1－2μm的單壁納米碳管。所述的基體金屬是指可以通過電沉積反應制備的金屬及其合金。本發(fā)明采用機械特性和導電性都非常優(yōu)越的納米碳管作為增強相物質(zhì)，取代CdO、SnO
文檔編號C25D13/02GK1725561SQ20051002772
公開日2006年1月25日 申請日期2005年7月14日 優(yōu)先權日2005年7月14日
發(fā)明者丁桂甫, 王裕超, 吳惠箐 申請人:上海交通大學