[发明专利]石墨烯包覆金属粉体的制备方法及金属基-石墨烯电触点

说明书

本发明涉及一种金属基‑石墨烯电触点及其制备方法以及包覆石墨烯的金属粉体的制备方法。电触点的材料由石墨烯包覆金属粉组成，所述石墨烯包覆金属粉的含量为80wt％～100wt％。其制备方法为金属盐的球磨细化混合、高温分解成金属、原位生长石墨烯、与金属粉体再经过传统电触点制备工艺得到金属基‑石墨烯触点。本发明的金属基‑石墨烯触点，其中的石墨烯呈3D网络结构，其导电性、导热性及抗氧化性能均优于纯金属导体，本发明制备的金属基‑石墨烯电触点工艺过程简单，成本低，易于实现工业化生产。它将会逐步取代目前的银‑石墨触点的市场地位，在大量节约资源的前提下获得巨大的经济效益。

技术领域

本发明涉及电接触材料及制备的技术领域，具体涉及一种石墨烯包覆金属粉体的制备方法及金属基-石墨烯电触点。

背景技术

电触点材料是电器开关和仪器仪表中十分关键的接触元件。低压配电系统与控制系统对自动化水平、灵敏程度要求的提高，高压输变电间大容量超高压的发展，甚至是电子工业产品的转型升级，都需要电触点材料研究的不断创新升级。电触头材料包括开闭用电触头材料和在电气接触的同时伴随机械滑动的滑动触头材料。就具体的电触点行业而言，需求客户对电触点的要求越来越多也越来越高，尤其是在降低成本方面的需求逐年递增。传统的中低压电触头材料以贵金属银作为主要成分，这使得电触点行业成为耗银量最大的行业之一。但是我国目前探明的金属银储量低且价格高，为了节约银资源和降低触头材料的生产成本，在世界范围内掀起了研究节银和无银触点材料的高潮。

在20世纪早期就产生了节银触点，采用Ag Me 0和镀层触头材料等，在随后的研发过程中也出现了各种铜基的(Cu W、Cu C和Cu WC等)无银电触点材料，这为进一步发展铜基触头材料奠定了基础。但是铜最大的缺点就是在空气中易氧化，生成导电性极差的Cu0和Cu₂0，导致触头的接触电阻大幅增加。为了满足电触点在低压电器中的使用要求，可以对加工前的铜粉进行预处理，引入其他元素制备出铜与第二相的复合粉体，以改善铜合金的抗氧化性能，提升产品的品质，已然成为现代铜基电触点的发展趋势。其中第二相的微观形态和润湿性至关重要，可以是稀土元素、金属氧化物，也可以是碳材料，其中碳材料可以是金刚石、碳纤维、石墨烯等等。

石墨烯是目前世界上发现的最薄材料，是一种由碳原子sp²杂化轨道连接形成的二维薄膜，这种结构赋予石墨烯材料许多特性，如禁带宽度近乎为零、载流子迁移率非常高、比表面积大、电学性能导热性能优秀、机械性能优异、杨氏模量及断裂强度等指数与碳纳米管相当。这些特性使石墨烯成为电触点材料中的理想增强体。

现有的实验及产品已经证明，添加石墨烯片的涂料、塑料和铜金属材料的抗氧化、导热、导电和机械性能等已有明显提高，但石墨烯片在铜粉中极易团聚且分散不均匀，使铜与石墨烯片的复合难度增大，限制了铜/石墨烯合金材料性能的进一步提升。为获得良好的导电导热性，现有技术公开了一种大电流开关柜GN30隔离开关，其通过涂覆技术，在静触头的触指表面设置有铜镀石墨烯层。然而，由于石墨烯只存在于触点的表面，在前期能起到一定的作用，但反复使用后表面石墨烯被磨掉后不再具有强化效果。

现有技术还公开了一种石墨烯增强铜-稀土基点触头材料，通过球磨法使石墨烯与金属粉末均匀混合，再压制烧结成石墨烯增强铜-稀土基点触头。然而，由于石墨烯是纳米材料，很容易团聚，该专利采用的球磨法很难使石墨烯与金属粉末均匀混合。另外，混合后的石墨烯团聚在金属晶界不能形成连续的3D石墨烯网络，使石墨烯的特性难以发挥，直接影响到触点的使用性能。

现有技术还公开了一种石墨烯材料及其制备方法，通过磁控溅射的方法将金属镍沉积在石墨烯表面，形成镀镍石墨烯，然后采用球磨法将镀镍石墨烯与铜合金均匀混合，然后压制成型，通过真空电弧熔炼制成石墨烯增强的铜基电触头复合材料。在石墨烯表面镀镍虽然增强了石墨烯与金属的润湿性，然而由于镍是包裹在石墨烯表面的，其导电导热能力限制了石墨烯在复合材料中特性的发挥。另外，石墨烯与金属的密度差很大，导致在熔炼过程中会出现比重偏析，在复合材料中难以形成石墨烯的导电网络，影响石墨烯增强的铜基电触头复合材料的产品稳定性。