一種Ag‑MXene觸頭材料及製備方法和用途與流程

2023-04-30 10:14:41 1

本發明涉及一種複合材料,具體涉及一種ag-mxene觸頭材料及製備方法和用途，屬於觸頭材料技術領域。

背景技術：

觸頭是低壓開關的核心部件，負責接通、承載和分斷電流，其性能直接關係到電器設備的可靠性。理想觸頭材料應具有良好的導電、導熱、抗熔焊、抗材料轉移、抗電弧侵蝕性能以及低而穩定的接觸電阻。ag基觸頭材料在低壓開關中應用最為廣泛，常見有ag/cdo、ag/sno2、ag/zno、ag/ni、ag/c、ag/w、ag/wc等，在結構、性能以及應用等方面各具特色。其中，萬能觸頭「ag/cdo」性能最為優異，應用最為廣泛，但是cd的毒性迫使其逐漸退出觸頭市場。而ag/sno2、ag/zno、ag/ni、ag/c、ag/w、ag/wc等替代材料也存在各種各樣的問題，例如加工性差、接觸電阻大、溫升明顯、抗電弧侵蝕能力和抗熔焊性能差等。隨著科技的進步，航天航空、高速列車、電動汽車、智能電網、智能電器等行業的快速發展，對低壓開關用ag基觸頭材料的性能提出了更高的要求，開發新型觸頭材料迫在眉睫。

2011年，一種新型過渡金屬碳化物ti3c2進入人們的視野，被命名為「mxene」(m.w.barsoum等,adv.mater.,2011,23(37):4248-4253)。到目前為止，除了ti3c2，已經被製備並確認的mxene的還有ti2c，ta4c3，ti3cn，(ti0.5,nb0.5)2c，(v0.5,cr0.5)3c2(m.naguib等,acsnano,2012,6(2):1322-1331)，nb2c，v2c(m.naguib等，j.am.chem.soc.,2013,135(43):15966-15969)，nb4c3(m.w.barsoum,chem.commun.,2014,50(67):9517-9520)等。mxene是一種類似於石墨烯的納米層狀材料，這種特殊的納米層狀結構賦予了它新的特性和應用潛力。優良的導電性與延展性使得mxene可以媲美多層石墨烯，非常有希望應用於鋰離子電池(j.c.lei,front.phys.,2015,10(3):276-286)和超級電容器(m.q.zhao,adv.mater.,2015,27(2):339-345)中。表面功能化的mxene具有半導體特性，在高溫下可用作能量轉換材料(m.khazaei,phys.chem.chem.phys.,2014,16(17):7841-7849)。此外，多層結構和大的比表面積使得mxene具有潛在的吸附性能，很有希望在重金屬吸附和儲氫領域發揮作用(q.hu,j.phys.chem.a,2013,117(51):14253-14260)。在mxene中，由於沒有了a原子層，其化學性質較max更加穩定。此外，結構類似多層石墨烯的層狀結構使得mxene擁有優良的摩擦和加工性能。因此，mxene特殊的結構和性質讓我們看到了其作為ag基觸頭材料增強相的潛力。目前，尚未見到mxene作為增強相應用於觸頭材料的相關報導，因而開發一種新型的ag/mxene觸頭材料意義非凡，在未來很有希望替代ag/cdo等傳統觸頭材料大規模應用於低壓開關。

技術實現要素：

技術問題：本發明提供了一種ag-mxene觸頭材料及其製備方法和用途，該複合材料環保無毒、製備工藝簡單、易實現產業化，適合大規模應用於低壓開關領域。該複合觸頭材料可以解決目前應用中的觸頭材料存在的問題：包括有毒、溫升大、接觸電阻高、抗電弧侵蝕能力差、抗熔焊性強等。

技術方案：本發明的一種ag-mxene觸頭材料，在該觸頭材料中，ag佔所述觸頭材料的質量百分比為50～99％，mxene佔所述觸頭材料的質量百分比為1～50％。

其中，所述mxene包括以下組分：ti3c2、ti2c、ta4c3，、ti3cn、nb2c、v2c、nb4c3、(ti0.5,nb0.5)2c或(v0.5,cr0.5)3c2。

本發明的ag-mxene觸頭材料的製備方法包括如下步驟：

步驟s1:按質量百分比的比例稱取ag粉和mxene粉；

步驟s2:將步驟s1中的ag-mxene粉末充分混合，得到均勻混合粉料；

步驟s3:將步驟s2中得到的混合粉料置於模具中壓製成坯體；

步驟s4:將步驟s3中得到的坯體置於燒結爐中，在惰性氣氛或真空保護下，以設定的升溫速率加熱到處理溫度並保溫，即可得到該觸頭材料。

其中，步驟s1中，所述ag粉的粒徑為1～100μm，所述mxene純度大於90％，粒徑為1～100μm。

步驟s2中，所述粉料充分混合是指溼法混合5～25h。

步驟s3中，所述壓制的壓力為10～800mpa。

步驟s4中，所述惰性氣氛為ar氣或氮氣。所述的升溫速率為1～50℃/min。所述處理溫度為500～1200℃；所述保溫時間為0.5～5h。

本發明的ag-mxene觸頭材料適用於接觸器、繼電器、斷路器的低壓開關設備。

有益效果：本發明與現有技術相比，具有以下優點：

1)觸頭材料的增強相mxene主要由ti、c、n、nb、v等組成，無毒環保；

2)利用溼法混合工藝，有利於原料粉末的充分混合；

3)在常壓下以及普通燒結爐中即可獲得該觸頭材料，設備簡單、成本低廉，適合大規模生產；

4)該技術製備出的ag-mxene複合觸頭材料組織均勻，無團聚現象；

5)製備出的ag-mxene複合觸頭材料密度高，硬度適中，導電性優異，抗電弧侵蝕和抗熔焊性能優良，適合大規模應用於接觸器、繼電器、斷路器等低壓開關領域。

具體實施方式

下面結合實例對本發明進行詳細的描述：

實施例1：

按照材料所佔的質量分數:ag(50％),ti3c2(50％)，稱取ag粉5g、ti3c2粉5g；混合後，在10mpa下壓製成坯體，在真空保護下，以1℃/min的升溫速率加熱至500℃，保溫0.5h，冷卻後得到ag-50％ti3c2觸頭材料。密度8.621g/cm3，硬度hv60，電阻率28×10-3μω·m。

實施例2：

按照材料所佔的質量分數:ag(65％),ta4c3(35％)，稱取ag粉9.29g、ti3c2粉5g；混合後，在50mpa下壓製成坯體；在ar氣氛保護下，以6℃/min的升溫速率加熱至600℃，保溫0.8h，冷卻後得到ag-35％ta4c3觸頭材料。密度8.651g/cm3，硬度hv62，電阻率29×10-3μω·m。

實施例3：

按照材料所佔的質量分數:ag(70％),ti3cn(30％)，稱取ag粉11.67g、ti3c2粉5g；混合後，在100mpa下壓製成坯體；在氮氣氛保護下，以10℃/min的升溫速率加熱至700℃，保溫1h，冷卻後得到ag-30％ti3cn觸頭材料。密度8.633g/cm3，硬度hv66，電阻率30×10-3μω·m。

實施例4：

按照材料所佔的質量分數:ag(75％),ti2c(25％)，稱取ag粉15g、ti3c2粉5g；混合後，在200mpa下壓製成坯體；在ar氣氛或真空保護下，以15℃/min的升溫速率加熱至800℃，保溫2h，冷卻後得到ag-25％ti2c觸頭材料。密度8.627g/cm3，硬度hv63，電阻率27×10-3μω·m。

實施例5：

按照材料所佔的質量分數:ag(80％),nb2c(20％)，稱取ag粉20g、ti3c2粉5g；混合後，在300mpa下壓製成坯體；在氮氣氛或真空保護下，以20℃/min的升溫速率加熱至900℃，保溫3h，冷卻後得到ag-20％nb2c觸頭材料。密度8.639g/cm3，硬度hv61，電阻率31×10-3μω·m。

實施例6：

按照材料所佔的質量分數:ag(85％),v2c(15％)，稱取ag粉28.33g、ti3c2粉5g；混合後，在400mpa下壓製成坯體；在ar氣氛保護下，以30℃/min的升溫速率加熱至1000℃，保溫3.5h，冷卻後得到ag-15％v2c觸頭材料。密度8.642g/cm3，硬度hv65，電阻率28×10-3μω·m。

實施例7：

按照材料所佔的質量分數:ag(90％),nb4c3(10％)，稱取ag粉45g、ti3c2粉5g；混合後，在500mpa下壓製成坯體；在氮氣氛或真空保護下，以40℃/min的升溫速率加熱至1100℃，保溫4h，冷卻後得到ag-10％nb4c3觸頭材料。密度8.622g/cm3，硬度hv62，電阻率32×10-3μω·m。

實施例8：

按照材料所佔的質量分數:ag(95％),(ti0.5,nb0.5)2c(5％)，稱取ag粉95g、ti3c2粉5g；混合後，在600mpa下壓製成坯體；在ar氣氛或真空保護下，以45℃/min的升溫速率加熱至1150℃，保溫5h，冷卻後即得到ag-5％(ti0.5,nb0.5)2c觸頭材料。密度8.653g/cm3，硬度hv67，電阻率34×10-3μω·m。

實施例9：

按照材料所佔的質量分數:ag(99％),(v0.5,cr0.5)3c2(1％)，稱取ag粉495g、ti3c2粉5g；混合後，在800mpa下壓製成坯體；在真空保護下，以50℃/min的升溫速率加熱至1200℃，保溫3h，冷卻後即得到ag-1％(v0.5,cr0.5)3c2觸頭材料。密度8.663g/cm3，硬度hv68，電阻率33×10-3μω·m。