一种高导电柔性银基复合材料及其制备方法

摘要

本发明涉及金属基复合材料技术，旨在提供一种高导电柔性银基复合材料及其制备方法。其原料配方是由重量百分含量计算的下述组分组成：银粉75～85％、石墨烯粉体0.5～12％、纳米镍溶胶5‑14.5％，三氧化二硼粉体1‑2.5％，二氧化锆粉体0.5‑2％，分散剂0.5～1％。本发明利用石墨烯高电子迁移率、高杨氏模量及优异的变形性能等特性，结合二氧化锆优异的机械性能和三氧化二硼的烧结特性，通过纳米镍溶胶改性，从而获得高电导率、高延伸率、高抗拉强度的高导电柔性银基复合材料，能够改善现有环保型银基电接触材料电阻率高、可加工性能差等不足，并且耐电弧腐蚀，具有长电寿命。本发明的制备工艺简单、过程环保，成品率高，可以大量节约贵金属银的用量，降低生产成本。

权利要求

1.一种高导电柔性银基复合材料，其特征在于，是由以重量百分含量计算的下述组分组成：银粉75～85％、石墨烯粉体0.5～12％、纳米镍溶胶5-14.5％，三氧化二硼粉体1-

2.5％，二氧化锆粉体0.5-2％，分散剂0.5～1％。

2.根据权利要求1所述的高导电柔性银基复合材料，其特征在于，所述分散剂为羧甲基纤维素钾。

3.根据权利要求1所述的高导电柔性银基复合材料，其特征在于，所述银粉的粒径为

0.5～2um，纯度为99.99％。

4.根据权利要求1所述的高导电柔性银基复合材料，其特征在于，所述石墨烯粉体的层数为1-10个原子层，片层尺寸为0.05-50um。

5.根据权利要求1所述的高导电柔性银基复合材料，其特征在于，所述纳米镍溶胶，粒径为30-100nm，浓度为5-20wt％。

6.根据权利要求1所述的高导电柔性银基复合材料，其特征在于，所述三氧化二硼粉体为分析纯。

7.根据权利要求1所述的高导电柔性银基复合材料，其特征在于，所述二氧化锆粉体的粒径为0.5-1μm，纯度为99％。

8.一种如权利要求1所述的高导电柔性银基复合材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)按所述原料配方的比例关系称量各组分；

(2)将纳米镍溶胶置于搅拌球磨设备，在1200r/min的速度下边搅拌边加入石墨烯粉体，充分混合40min，获得复合料浆A；将复合料浆A置于超声设备中超声处理1-2h，备用；

(3)将称量好的三氧化二硼粉体、二氧化锆粉体、占银粉总量20％的银粉与去离子水混合，加入分散剂，在2000r/min的搅拌速度下配置成浓度为20-30wt％的复合料浆B；

(4)将复合料浆A和复合料浆B置于反应釜中，在80-160℃条件下反应1-2h，获得复合料浆C，备用；

(5)将复合料浆C置于机械搅拌设备，在1000r/min的速度下边搅拌边加入剩余的银粉，获得复合料浆D；

(6)将复合料浆D经喷雾干燥后获得银基复合粉体；

(7)将银基复合粉体置于模具中，在200MPa压力下冷等静压成型，获得银基复合材料素坯；

(8)将银基复合材料素坯置于烧结炉中，在空气气氛、800～900℃条件下烧结2～4小时，获得高导电柔性银基复合材料。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，超声设备的频率为50HZ。

说明书

一种高导电柔性银基复合材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属基复合材料技术领域，具体涉及一种高导电柔性银基复合材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 银基复合材料具有优异的导电性、导热性、延展性和机械加工性能，是最理想的导电类材料之一，在航空航天、轨道交通、电力电子等领域具有重要的战略地位。其中，电接触材料及元器件作为电器工业的核心基础，是银基导电材料最重要的应用领域之一。AgCdO复合材料具有耐电弧、抗熔焊、耐电气和机械磨损、耐腐蚀和低接触电阻以及良好的加工性等优点，在较大的工作电压或电流范围内，都表现出优良的电接触性能，被称为“万能触点材料”。从20世纪50年代至今，Ag/CdO导电复合材料一直占据着银基电接触材料市场的主导。

[0003] 然而，AgCdO作为电接触材料，其在生产和使用过程中会对人体和环境造成一定程度的危害。2003年2月欧盟颁布了《关于在电子电器设备中禁止使用某些有害物质指令》(RoHS指令)和《废旧电子电器》(WEEE指令)，对电子电器设备中含镉材料的应用进行限制，掀起了新型环保电接触材料的研究热潮。而在我国生产和销售的电接触材料产品中，AgCdO材料的份额至今仍占一半以上，这极大地限制了我国电接触材料及其下游产业的发展。近十年来，研究人员围绕环保型无镉电接触复合材料开展了大量的研究工作，主要集中在新材料体系探索、已有材料体系的改性以及复合材料结构的控制等方面，已成为银基复合电接触材料研究发展的趋势。

[0004] 然而，目前研究和应用较多的Ag/SnO2、Ag/ZnO等环保型电接触材料，虽然力学、电学等性能相对优异，在一定范围内可满足使用需求，但是由于SnO2、ZnO等增强相的电导率与银相比还是差几个数量级，使得银基复合材料仍然不能满足高电导率、高机械强度要求的应用领域的需求。特别是当复合材料中银含量降低至90wt％以下时，不仅电导率难以保证，同时复合材料加工性能也会随银含量的降低而变差，从而导致产品综合性能下降、应用受限，也存在成品率下降、生产成本增加等问题，是目前环保型电接触材料应用和发展的技术瓶颈。因此，亟需开发高电导率、可加工性能优异、银含量低、生产成本较低的环保型银基电接触材料。

[0005] 石墨烯作为一种新型碳材料，其电子运动速度超过了在其他金属单体或是半导体中的运动速度，能达到光速的1/300，室温下石墨烯平面上的电子迁移率可达2×105cm2·V-1·s-1。单层石墨烯的杨氏模量高达1100GPa，并且韧性非常好，可以随意弯曲。因此，将石墨烯作为增强相，有望改善现有环保型银基电接触材料电导率低、可加工性能差等问题。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是，克服以上现有技术中的不足，提供一种高导电柔性银基复合材料及其制备方法。该方法制备获得的银基复合材料用作电接触材料时，在银含量较低的情况下，仍具有高电导率、高变形量的优异特性，且抗拉强度高、耐电弧腐蚀，具有长电寿命。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明的解决方案为：

[0008] 提供一种高导电柔性银基复合材料的原料配方，是由重量百分含量计算的下述组分组成：银粉75～85％、石墨烯粉体0.5～12％、纳米镍溶胶5-14.5％，三氧化二硼粉体1-2.5％，二氧化锆粉体0.5-2％，分散剂0.5～1％。

[0009] 本发明中，所述分散剂为羧甲基纤维素钾。

[0010] 本发明进一步提供了利用前述原料配方制备高导电柔性银基复合材料的方法，包括下述步骤：

[0011] (1)按所述原料配方的比例关系称量各组分；

[0012] (2)将纳米镍溶胶置于搅拌球磨设备，在1200r/min的速度下边搅拌边加入石墨烯粉体，充分混合40min，获得复合料浆A；将复合料浆A置于超声设备中超声处理1-2h，备用；

[0013] (3)将称量好的三氧化二硼粉体、二氧化锆粉体、占银粉总量20％的银粉与去离子水混合，加入分散剂，在2000r/min的搅拌速度下配置成浓度为20-30wt％的复合料浆B；

[0014] (4)将复合料浆A和复合料浆B置于反应釜中，在80-160℃条件下反应1-2h，获得复合料浆C，备用；

[0015] (5)将复合料浆C置于机械搅拌设备，在1000r/min的速度下边搅拌边加入剩余的银粉，获得复合料浆D；

[0016] (6)将复合料浆D经喷雾干燥后获得银基复合粉体；

[0017] (7)将银基复合粉体置于模具中，在200MPa压力下冷等静压成型，获得银基复合材料素坯；

[0018] (8)将银基复合材料素坯置于烧结炉中，在空气气氛、800～900℃条件下烧结2～4小时，获得高导电柔性银基复合材料。

[0019] 本发明中，所述银粉的粒径为0.5～2um，纯度为99.99％。

[0020] 本发明中，所述石墨烯粉体的层数为1-10个原子层，片层尺寸为0.05-50um。

[0021] 本发明中，所述纳米镍溶胶，粒径为30-100nm，浓度为5-20wt％。

[0022] 本发明中，所述三氧化二硼粉体为分析纯。

[0023] 本发明中，所述二氧化锆粉体的粒径为0.5-1μm，纯度为99％。

[0024] 本发明中，所述步骤(2)中，超声设备的频率为50HZ。

[0025] 发明原理说明：

[0026] 本发明的制备方法中，步骤(2)是形成连续微观导电通道的关键，步骤(3)是形成连续导电增强相的基础，结合步骤(4)和步骤(5)，能够在银基复合材料中共同构成具有导电和增强效果的复合网络结构，从而获得具有高电导率、高延伸率、高抗拉强度等优异性能的高导电柔性银基复合材料。

[0027] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

[0028] 1、本发明利用石墨烯高电子迁移率、高杨氏模量及优异的变形性能等特性，结合二氧化锆优异的机械性能和三氧化二硼的烧结特性，通过纳米镍溶胶改性，从而获得高电导率、高延伸率、高抗拉强度的高导电柔性银基复合材料，能够改善现有环保型银基电接触材料电阻率高、可加工性能差等不足，并且耐电弧腐蚀，具有长电寿命。

[0029] 2、本发明的制备工艺简单、过程环保，成品率高，可以大量节约贵金属银的用量，降低生产成本。

具体实施方式

[0030] 下面通过实例进一步对本发明进行描述。

[0031] 本发明中，一种高导电柔性银基复合材料的原料配方，是由重量百分含量计算的下述组分组成：银粉75～85％、石墨烯粉体0.5～12％、纳米镍溶胶5-14.5％，三氧化二硼粉体1-2.5％，二氧化锆粉体0.5-2％，分散剂0.5～1％。

[0032] 利用该原料配方制备高导电柔性银基复合材料的方法，包括下述步骤：

[0033] (1)按所述原料配方的比例关系称量各组分；

[0034] (2)将纳米镍溶胶置于搅拌球磨设备，在1200r/min的速度下边搅拌边加入石墨烯粉体，充分混合40min，获得复合料浆A；将复合料浆A置于超声设备中超声处理1-2h，备用；

[0035] (3)将称量好的三氧化二硼粉体、二氧化锆粉体、占银粉总量20％的银粉与去离子水混合，加入分散剂，在2000r/min的搅拌速度下配置成浓度为20-30wt％的复合料浆B；

[0036] (4)将复合料浆A和复合料浆B置于反应釜中，在80-160℃条件下反应1-2h，获得复合料浆C，备用；

[0037] (5)将复合料浆C置于机械搅拌设备，在1000r/min的速度下边搅拌边加入剩余的银粉，获得复合料浆D；

[0038] (6)将复合料浆D经喷雾干燥后获得银基复合粉体；

[0039] (7)将银基复合粉体置于模具中，在200MPa压力下冷等静压成型，获得银基复合材料素坯；

[0040] (7)将银基复合材料素坯置于烧结炉中，在空气气氛、800～900℃条件下烧结2～4小时，获得高导电柔性银基复合材料。

[0041] 各实施例中的试验数据见下表(各组分的份数均为重量百分比含量)：

[0042]

[0043] 采用本发明方法制备获得的高导电柔性银基复合材料用作电接触材料时，与现有技术中银含量相同的电接触材料相比，其电阻率明显降低，延伸率明显提高，抗拉强度提高。

[0044] 例如，市售产品中银质量分数为88％的AgSnO2材料，其电阻率一般为2.2～2.5μΩ·cm、延伸率为13～17％(国家标准)、抗拉强度约230-250MPa。而本发明所得银基电接触材延伸率高达29％、电阻率可低至1.86μΩ·cm、抗拉强度达290MPa，性能差异十分显著。

[0045] 最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。