專利名稱：觸點(diǎn)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于滅弧觸頭的觸點(diǎn)元件。本發(fā)明還涉及一種 用于制造用于滅弧觸頭的觸點(diǎn)元件的方法。
背景技術(shù)：
滅弧觸頭(arcing contact)在電4支術(shù)應(yīng)用中被廣泛4吏用，例如斷 路器、發(fā)電機(jī)斷路器、接觸器、電力斷續(xù)器、切斷開關(guān)、繼電器、 真空斷續(xù)器、保險(xiǎn)絲、限流器或選擇開關(guān)。
在該說明書以及隨后的權(quán)利要求書中，滅弧觸頭指的是在電弧 形成過程中打開或閉合電路的觸點(diǎn)元件。
用于滅弧觸頭的理想材料必須能夠承受多種不同的物理現(xiàn)象， 例如熱沖擊、電弧腐蝕/熔化、焊接、磨損和腐蝕。
在現(xiàn)有技術(shù)中，滅弧觸頭例如是由金屬基體復(fù)合材料制成的， 該復(fù)合材料由高導(dǎo)電性金屬(例如Ag或Cu)與金屬(例如W和 Ni)、或者具有高熔點(diǎn)和/或硬化效應(yīng)的陶瓷(例如Sn02、 WC)、
或者石墨碳化合而成。這樣的材料ii常是很昂貴的，并且相對(duì)于熱
沖擊、電弧腐蝕/熔化、焊接、磨損和腐蝕不容易最優(yōu)化。
因此，需要一種用于滅弧觸頭的觸點(diǎn)元件，該觸點(diǎn)元件包括與 用于滅弧觸頭的常M^材料相比更i"更宜并且相對(duì)于例如熱沖擊、電弧 腐蝕/熔化、焊接、磨損和腐蝕更容易最優(yōu)化的觸點(diǎn)材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種相對(duì)于已知的觸點(diǎn)元件改進(jìn)的用于滅 弧觸頭的觸點(diǎn)元件。
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，這個(gè)目的是通過具有權(quán)利要求1的特征的用于滅弧觸頭的觸點(diǎn)元件來實(shí)現(xiàn)的。
用于滅弧觸頭的電觸點(diǎn)元件包括被布置為相對(duì)第二電氣觸點(diǎn)元
件施加的觸點(diǎn)本體，其中該觸點(diǎn)本體包括M^AXn材料，其中M是至 少一種過渡金屬，A是從周期表第13- 17族中選擇的至少一種元素， X是C和/或N, n是l、 2、 3或更大的值。例如，過渡金屬可以是 Sc、 Ti、 V、 Cr、 Zr、 Nb、 Mo、 Hf、 Ta。例如A元素可以是A1、 Si、 P、 S、 Ga、 Ge、 As、 Cd、 In、 Sn、 Tl、 Pb。
從下面的描述以及從屬權(quán)利要求中將會(huì)清楚地得到本發(fā)明的優(yōu) 選實(shí)施方式。
目前大約有60種已知的MAX材料。該族材料主要是陶瓷，但 是另外它們具有使得它們適于作為滅弧觸頭材料的物理性能。這些 性能是，例如良好的熱和電傳導(dǎo)性、韌性、化學(xué)完整性、高熔點(diǎn)、 易于制造和良好的機(jī)械加工性。而且，它們可以很容易地在復(fù)合材 料中與金屬化合。目前發(fā)現(xiàn)，MAX材料特別適于作為滅弧觸頭中觸 點(diǎn)本體的觸點(diǎn)材料，即當(dāng)觸頭斷開或者接通時(shí)形成電弧的位置處。 在放電/斷開接觸界面，由于熱沖擊可能會(huì)在接觸表面形成熱裂縫， 接觸表面的材料會(huì)蒸發(fā)，并形成觸點(diǎn)材料的熔滴。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，M^AXn材料是M3AX2材料，例如
Ti3SiC2。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，M^AXn材料是M2AX材料，例如Ti2AlC。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，M^A^材料是燒結(jié)粉末。顆粒尺寸優(yōu) 選地具有在1 nm到2 mm區(qū)間的平均尺寸。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，該本體包括至少一種下面的材料金 屬、金屬合金、陶瓷或聚合物。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，該本體包括磁性材料。這會(huì)使電弧不 穩(wěn)定或者使電弧移動(dòng)，這是觸點(diǎn)材料所希望具有的性質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，該本體包括至少 一種下面的纖維形式 的材料金屬纖維、陶瓷纖維或碳纖維。該纖維是有機(jī)或無(wú)機(jī)的。 通過添加碳纖維或者金屬纖維，觸點(diǎn)本體的熱傳導(dǎo)性和機(jī)械性能得到改善。通過添加陶資纖維，觸點(diǎn)本體的熔點(diǎn)升高，并由此對(duì)滅弧 觸頭中的電弧的抵抗力提高。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，該本體包括至少一種下面的材料碳 納米管或富勒烯(fullerene)。通過將碳納米管或富勒烯與觸點(diǎn)本體 中的MAX材料相混合，可以防止在閉合電路時(shí)熔焊的發(fā)生。這也會(huì) 改善觸點(diǎn)本體的熱傳導(dǎo)性，從而使得接觸表面的熱傳遞能夠得至'J改善。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，該本體包括至少 一種下面材料的薄膜 陶瓷、聚合物和金屬。因此觸點(diǎn)元件的化學(xué)和熱性能得到改善。該 薄膜的厚度優(yōu)選地在0.1 nm到500 pm區(qū)間。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，該薄膜覆蓋在本體的至少 一部分接觸 表面上，以適于與第二觸點(diǎn)元件相接觸。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，該本體包括燒結(jié)粉末，并且該薄膜被 布置為至少部分地圍繞該燒結(jié)粉末顆粒。通過用陶瓷或金屬薄膜至 少部分地覆蓋粉末顆粒，觸點(diǎn)元件可以實(shí)現(xiàn)良好的腐蝕性能、高的 炫點(diǎn)以及低的電阻率和熱阻率。通過用例如聚四氟乙烯加適當(dāng)?shù)奶?加劑(例如氰尿酸三聚氰胺或者硫化纖維素)的聚合物至少部分地 覆蓋粉末，可以得到當(dāng)斷開或連接觸點(diǎn)元件和第二觸點(diǎn)元件時(shí)具有 降低觸點(diǎn)內(nèi)電弧的能力的觸點(diǎn)元件。當(dāng)斷開或連接觸點(diǎn)時(shí)，觸點(diǎn)本 體內(nèi)的聚合物會(huì)產(chǎn)生減小電弧的氣體。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，該本體包括多個(gè)薄膜。這些薄膜可以 被布置為圍繞燒結(jié)觸點(diǎn)本體內(nèi)粉末顆粒的至少 一 部分，或者位于燒 結(jié)觸點(diǎn)本體表面的至少 一部分上。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，該觸點(diǎn)本體的至少一部分是表面硬化 的。該表面硬化可以是4幾械的或熱力的。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，觸點(diǎn)本體的至少一部分表面通過化學(xué) 反應(yīng)得以處理。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，該燒結(jié)本體內(nèi)的至少 一 些粉末顆粒已 通過化學(xué)反應(yīng)處理過，例如通過氧化。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，該本體在垂直于被布置為與第二觸點(diǎn) 元件相對(duì)施加的接觸表面的方向上的厚度在0.5微米和0.1米之間。 在這個(gè)區(qū)間內(nèi)的厚度使得可以使用塊材料來制造該觸點(diǎn)本體，這提 供了 一種制造觸點(diǎn)元件的成本有效方法。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，該目的是通過包括根據(jù)前面任一實(shí)施 方式的電氣觸點(diǎn)元件的滅弧觸頭來實(shí)現(xiàn)的，其中該滅弧觸頭包括第 二觸點(diǎn)元件。才艮據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，該第二觸點(diǎn)元件包含包括M^AXn
材料的第二觸點(diǎn)本體，其中M是至少一種過渡金屬，A是從周期表 的第13 - 17族中選擇的至少一種元素，X是C和/或N, n是l、 2、
3或更大的值。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，該發(fā)明的目的是通過一種根據(jù)權(quán)利要 求15的制造滅弧觸頭的電氣觸點(diǎn)元件的方法來實(shí)現(xiàn)的。 一種用于制 造包括布置為與第二觸點(diǎn)元件相對(duì)施加的觸點(diǎn)本體的電氣觸點(diǎn)元件 的方法包4舌
-混合至少一種M^AXn材料的粉末，其中M是至少一種過渡金 屬，A是從周期表第13 - 17族中選擇的至少一種元素，X是C和/ 或N， n是l、 2、 3或更大的值，
-形成觸點(diǎn)本體，
-燒結(jié)該本體。
該觸點(diǎn)本體可以直接被燒結(jié)成單件，或者通過機(jī)械加工或?qū)⒃?燒結(jié)的本體形成為該觸點(diǎn)本體。并且，該部件可以形成多個(gè)觸點(diǎn)本 體。該部件例如可以是棒或者盤的形式。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在燒結(jié)該本體之前，該MAX材料與碳、 金屬或陶乾的纖維混合。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在燒結(jié)該本體之前，該MAX材料與金 屬粉末混合。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，該燒結(jié)的部件被熱處理，從而使 得該本體中的材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施方式，用于該觸點(diǎn)本體的材料被擠壓成
7形和/或在熱或冷環(huán)境下被處理。這可以在燒結(jié)該本體之前完成，或 者取代燒結(jié)該本體。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，本發(fā)明的目的是通過應(yīng)用根據(jù)權(quán)利要 求17或18的電氣觸點(diǎn)元件來實(shí)現(xiàn)的。


下面將通過例子并且參考附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述，附圖
中
圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的觸點(diǎn)元件；
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的位于中壓真空斷續(xù)器中的
觸點(diǎn)元件的剖面圖；以及
圖3是常規(guī)滅弧觸頭材料與根據(jù)本發(fā)明的觸點(diǎn)元件中的MAX材
料的體積侵蝕(％)的對(duì)比圖表。
具體實(shí)施例方式
圖1示意性地示出了用于根據(jù)本發(fā)明的滅弧觸頭2的觸點(diǎn)元件 1,其中該觸點(diǎn)元件1包括觸點(diǎn)本體3。該觸點(diǎn)本體3構(gòu)成了與第二 觸點(diǎn)元件4接觸或斷開的觸點(diǎn)元件1的一部分。該第一觸點(diǎn)元件1 和第二觸點(diǎn)元件4彼此相對(duì)布置，并分別布置在第一導(dǎo)體5和第二 導(dǎo)體6的端部。該觸點(diǎn)本體3包括M^AXn材料。在觸頭打開或閉合 的過程中，電弧形成在第一觸點(diǎn)元件1和第二觸點(diǎn)元件4之間。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的應(yīng)用在中壓真空斷續(xù)器7中 的觸點(diǎn)元件12的剖面圖。該真空斷續(xù)器7包括具有金屬端板9、 10 和設(shè)置在這兩個(gè)端板之間的圓柱形絕緣壁11的真空絕緣管8。圓柱 形絕緣壁和端板圍成密封的體積19。該體積19包括具有第一觸點(diǎn)本 體13的第一觸點(diǎn)元件12。該第一觸點(diǎn)本體13構(gòu)成與第二觸點(diǎn)元件 14的第二觸點(diǎn)本體15接觸或斷開的觸點(diǎn)元件12的一部分。該第一 觸點(diǎn)元件12和第二觸點(diǎn)元件14彼此相對(duì)地布置，并分別布置在第 一導(dǎo)體16和第二導(dǎo)體17的端部。通常地，觸點(diǎn)元件12、 14通過焊接被布置在導(dǎo)體16、 17上。該第一導(dǎo)體16通過波紋管18與端板9 相連接，使得可以不需打破管8內(nèi)的真空而沿著第一導(dǎo)體16的縱軸 運(yùn)動(dòng)。電弧屏蔽系統(tǒng)20被布置在絕緣壁的內(nèi)部，從而防止金屬雜質(zhì)， 并且由此防止閃絡(luò)。根據(jù)這個(gè)實(shí)施方式，第一觸點(diǎn)本體13和第二觸 點(diǎn)本體15包括M^AXn材料。在觸頭打開和閉合的過程中，形成電弧。
觸點(diǎn)本體3、 13構(gòu)成與第二觸點(diǎn)元件4、 14相接觸的觸點(diǎn)元件1、 12的一部分。根據(jù)上面兩個(gè)實(shí)施方式的觸點(diǎn)元件1、 12既適用于{氐 壓斷路器，也適用于高壓斷路器。
圖3為根據(jù)本發(fā)明的包括MAX材料的觸頭元件與用于滅弧觸頭 的常規(guī)材料Cu/W材料之間的體積侵蝕(。/o)對(duì)比圖。圖表中的MAX 材料是Ti2AlC。該常規(guī)Cu/W材料包括80 wt %的W和20 wt。/o的Cu。 從圖表中可以看出，Ti2AlC材料的體積侵蝕(％)與常規(guī)的Cu/W材 料的體積侵蝕(％)相當(dāng)。
滅弧觸頭中的電弧可以被觸點(diǎn)元件的自通風(fēng)充氣材料或電弧的 磁性操作而減小。
本發(fā)明絕不僅限于上面描述的優(yōu)選實(shí)施方式；相反對(duì)本領(lǐng)域技 術(shù)人員來說，在不脫離權(quán)利要求所限定的本發(fā)明基本思想的前提下， 很明顯還可以有許多可能的改進(jìn)方式。
根據(jù)本發(fā)明的觸點(diǎn)元件可以被應(yīng)用在廣泛應(yīng)用中的滅弧觸頭 中，如斷路器、發(fā)電機(jī)斷路器、接觸器、電力斷續(xù)器、切斷開關(guān)、 繼電器、真空斷續(xù)器、保險(xiǎn)絲、限流器、選擇開關(guān)。
例如，根據(jù)本發(fā)明的電氣觸點(diǎn)元件可用于所有類型的觸點(diǎn)，例 如電子觸點(diǎn)、電力觸點(diǎn)、固定觸點(diǎn)、斷開觸點(diǎn)、包括電刷的滑動(dòng)觸
點(diǎn)。并且，觸點(diǎn)本體的材料可以是與M^AXn材料非常類似的材料，
具有類似的化學(xué)、物理和機(jī)械特性，例如三元或二元陶瓷材料，例
如Ti-C復(fù)合材料，或下列材料的任意混合物M^AXn材料、三元和 二元陶瓷材料。
觸點(diǎn)元件的觸點(diǎn)本體中的材料還可以被用在斷路器中要求與觸 點(diǎn)元件相同的材料特性的其他部件上。
權(quán)利要求
1、一種用于滅弧觸頭(2，7)的電氣觸點(diǎn)元件(1，12)，包括布置為與第二觸點(diǎn)元件(4，14)相對(duì)施加的觸點(diǎn)本體(3，13)，其特征在于，所述觸點(diǎn)本體(3，13)包括Mn+1AXn材料，其中M是至少一種過渡金屬，A是從周期表的第13-17族中選擇的至少一種元素，X是C和/或N，n是1、2、3或更大的值。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的電氣觸點(diǎn)元件(1， 12),其中所述Mn+,AXn 材料是M3AX2材料，例如Ti3SiC2。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1的電氣觸點(diǎn)元件(1, 12),其中所述1VUA^ 材料是M2AX材料，例如Ti2AlC。
4、 根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的電氣觸點(diǎn)元件(1, 12),其中所 述VUAXn材料由燒結(jié)粉末顆粒制成。
5、 根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的電氣觸點(diǎn)元件(1， 12),其中所 述本體(3, 13)包括至少一種下列材料金屬、金屬合金、陶瓷或 聚合物。
6、 根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的電氣觸點(diǎn)元件(1, 12),其中所 述本體(3， 13)包括磁性材料。
7、 根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的電氣觸點(diǎn)元件(1, 12),其中所 述本體(3, 13)包括至少一種纖維形式的下列材料金屬纖維、陶 瓷纖維、或碳纖維。
8、 根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的電氣觸點(diǎn)元件(1， 12)，其中所 述本體(3， 13)包括下面的至少一種碳納米管或富勒烯。
9、 根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的電氣觸點(diǎn)元件(1， 12),其中所 述本體(3, 13)包括下列材料中至少一種的薄膜陶瓷、聚合物和 金屬。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9的電氣觸點(diǎn)元件(1， 12)，其中所述薄膜 覆蓋與所述第二觸點(diǎn)元件(4、 14)接觸的所述本體(3， 13)的接 觸表面的至少一部分。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9的電氣觸點(diǎn)元件(1,12)，其中所述本體(3， 13)包括燒結(jié)粉末顆粒，并且所述薄膜至少部分地圍繞所述燒 結(jié)粉末顆粒布置。
12、 根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的電氣觸點(diǎn)元件(1, 12)，其中 所述本體在垂直于接觸表面的方向上的厚度在0.0005米到0.1米之間。
13、 一種滅弧觸頭(2, 7)，包括根據(jù)權(quán)利要求1 - 12中任一項(xiàng) 的電氣觸點(diǎn)元件(l， 12)，其特征在于，所述滅弧觸頭(2, 7)包括 所述第二觸點(diǎn)元件(4, 14)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13的滅弧觸頭(2， 7),其中所述第二觸點(diǎn) 元件(4, 14)包括包含M^AXn材料的第二觸點(diǎn)本體(3, 15),其 中M是至少一種過渡金屬，A是從周期表的第13- 17族中選擇的至 少一種元素，X是C和/或N, n是l、 2、 3或更大的值。
15、 一種用于制造滅弧觸頭的電氣觸點(diǎn)元件(1, 12)的方法， 所述滅弧觸頭包括布置為與第二觸點(diǎn)元件(4, 14)相對(duì)施加的觸點(diǎn) 本體(3, 13)，所述第一觸點(diǎn)元件(1, 12)包括-M^AX。材料的混合粉末，其中M是至少一種過渡金屬，A是從 周期表的第13- 17族中選擇的至少一種元素，X是C和/或N, n是 1、 2、 3或更大的值，-形成本體，-燒結(jié)所述本體，以及-機(jī)械加工燒結(jié)的本體。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中在燒結(jié)所述本體之前，將 M^AXn材料與碳、金屬或陶瓷的纖維相混合。
17、 根據(jù)權(quán)利要求1 - 12中任一項(xiàng)的電氣觸點(diǎn)元件(1, 12)在 滅弧觸頭中的應(yīng)用。
18、 根據(jù)權(quán)利要求1 - 12中任一項(xiàng)的電氣觸點(diǎn)元件(1, 12)在 下列滅弧或斷開觸點(diǎn)中任一個(gè)中的應(yīng)用斷路器、發(fā)電機(jī)斷路器、 接觸器、電力斷續(xù)器、切斷開關(guān)、繼電器、真空斷續(xù)器、保險(xiǎn)絲、 限流器、選擇開關(guān)。
全文摘要
一種用于滅弧觸頭(2，7)的電氣觸點(diǎn)元件(1，12)，包括布置為與第二觸點(diǎn)元件(4，15)相對(duì)施加的觸點(diǎn)本體(3，13)，其中觸點(diǎn)本體包括M_n+1AX_n材料，其中M是至少一種過渡金屬，A是從周期表第13-17族中選擇的至少一種元素，X是C和/或N，且n是1、2、3或更大的值。一種制造包含包括M_n+1AX_n材料的觸點(diǎn)本體的觸點(diǎn)元件的方法。包含包括M_n+1AX_n材料的觸點(diǎn)本體的電氣觸點(diǎn)元件在滅弧觸頭中的應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01H1/021GK101617376SQ200780045938
公開日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月15日
發(fā)明者A·奧伯格, P·伊斯伯格 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司