本發明涉及一種新型電接觸復合材料的制備方法，具體涉及一種Ti₂AlN-碳納米管復合增強銀基電接觸材料及其制備方法。

背景技術：

銀基陶瓷復合材料(Ag/MeO材料，代表性的有Ag/CdO、Ag/SnO₂、Ag/ZnO和Ag/ReO)，通過添加彌散分布的金屬氧化物MeO陶瓷顆粒，既強化了Ag基體，而且顯著增強了材料抗熔焊和耐電弧侵蝕的能力，使其成為研究和應用最廣、性能優良的電接觸材料。但就使用性能來講，現有體系尚存在金屬氧化物MeO陶瓷顆粒易富集于觸頭表面引起接觸電阻增大、溫升過高、加工成型困難等弱點，這一弱點不僅影響其使用壽命，而且也使它的使用范圍受到限制，越來越難以滿足電接觸材料高可靠、長壽命、小型化和多功能響應的要求。因此，如何有效提高銀基復合材料的電壽命成為材料工作者所關注的問題，其中向其添加新型增強體就是一種有效的途徑。

鈦鋁氮(Ti₂AlN)是一種新型層狀三元陶瓷，由于其特殊的原子排列方式，使其兼具了金屬和陶瓷的居多優良性能，如金屬的導電、導熱、抗熱沖擊性、可加工性和陶瓷的低比重、高熔點、高強度、高模量、抗氧化及自潤滑的特點；而碳納米管作為增強體對提高金屬的力學性能效果顯著。與目前銀基復合材料中常用的氧化物陶瓷顆粒增強相相比，Ti₂AlN與碳納米管作為新型增強相均具有許多獨特的優勢。中國專利CN 102312150A公布了“Ag/Ti₃SiC₂電接觸復合材料的制備方法”，該專利提供了制備Ti₃SiC₂作為增強相的銀基復合材料的方法，可有效解決增強相與銀基體的潤濕性問題。中國專利CN 105742083A提供了“一種碳納米管增強的復合電接觸材料及其制備工藝”，解決了銀基觸點材料中增強材料電弧作用下團聚的問題。但上述方法工藝流程復雜且不易控制，造成相關產品的工業化生產較困難，且對于Ti₂AlN-碳納米管復合增強銀基電接觸材料的生產制備并未能提出合理的方案。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對現有技術的不足之處，提出一種Ti₂AlN-碳納米管復合增強銀基電接觸材料。本發明制備的銀基電接觸復合材料在保持高硬度、高導電性、導熱性和自潤滑性的同時，大幅度地降低電侵蝕率，使其具備優良的綜合性能，可廣泛適用于低壓電器用觸頭材料，如斷路器和接觸器觸頭。

本發明的另一個目的還在于通過合理的成分設計和優化制備工藝相結合，提供一種能進一步改善材料的綜合性能，生產工藝簡便，生產成本相對低的Ti₂AlN-碳納米管復合增強銀基電接觸材料的制備方法。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為所述Ti₂AlN-碳納米管復合增強銀基電接觸材料按質量百分比包括如下組分：Ti₂AlN層狀三元陶瓷3-20％、經預處理的多壁碳納米管1-3％、余量為銀。

其中，所述Ti₂AlN層狀三元陶瓷粉體的純度大于98％，粒徑范圍為2μm～50μm。

其中，所述經預處理的多壁碳納米管按照以下方法制成：將碳納米管加入到混酸(V_濃硝酸：V_濃硫酸＝3：1)溶液中，在攪拌速度為300～600轉/分鐘，溫度為70～90℃條件下處理1～6小時，自然冷卻過濾洗滌后于60～80℃條件下真空干燥4～10小時，得到經預處理的多壁碳納米管。

本發明還提供了一種上述Ti₂AlN-碳納米管復合增強銀基電接觸材料的制備方法，依次包括如下工藝步驟：

(1)按要求選取組配原料粉末，將配制好的混合粉末裝入球磨罐中進行濕磨分散。濕磨在滾筒式球磨機中進行，以無水乙醇作為研磨介質，研磨體采用直徑為的WC-8wt％Co硬質合金球，球料比為10:1，球磨轉速可以控制在30～40轉/分鐘，球磨分散時間控制在60～90小時；將球磨后的混合漿料，沉淀干燥4～5小時，所述漿料的干燥是采用真空干燥方式，干燥溫度60～80℃；

(2)按混合料重量的1～2wt％摻入成型劑，混合均勻后干燥、制粒得到流動性良好的混合料，本發明所述成型劑為聚乙二醇或石蠟；

(3)將上述干燥后的混合料裝入模具中進行機械模壓壓制，壓制力為200～300MPa；將壓制成型坯料在真空爐中進行脫脂，脫脂工序在真空度高于5Pa的條件下進行，在升溫至250～350℃和450～600℃之間時各保溫40～120分鐘；

(4)將合格的粉末壓坯放入氫氣燒結爐中，所述塊狀生坯按照升溫速率20～40℃/分鐘升溫至800℃～1050℃，并保溫0.5～3小時，冷卻后得到層狀三元陶瓷增強銀基復合材料。

(5)將燒結成型的銀基電接觸復合材料在700～900℃下熱擠壓成型。

其中，所述熱擠壓成型工藝中，模具預熱溫度500～800℃，坯料溫度600～950℃，擠壓比范圍為10～50，擠壓速度為5～15cm/分鐘。

本發明的一種Ti₂AlN-碳納米管復合增強銀基電接觸材料，相比現有技術具有的有益效果：本發明通過添加Ti₂AlN層狀三元陶瓷和碳納米管作為雙增強相，在保持銀基體高導電性的同時，充分發揮強化相的增強作用及二者的協同作用，使得銀基復合材料的接觸電阻低，抗熔焊性能好，抗電弧腐蝕能力強。并且該方法能夠快速合成和操作方便的制備該材料，制備工藝簡單可行，成本低廉，設備簡單，具有很好的實用性和經濟性，適合工業大規模生產。

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明

附圖說明

圖1是實施例1所述制品的顯微形貌(1000×)。

具體實施方式

以下結合實施例和附圖進一步說明本發明的技術效果。

實施例1：

首先將碳納米管加入到混酸(V_濃硝酸：V_濃硫酸＝3：1)溶液中，在攪拌速度為500轉/分鐘，溫度為80℃條件下處理3小時，自然冷卻過濾洗滌后于70℃條件下真空干燥6小時，得到經預處理的多壁碳納米管。隨后按以下的組分及含量(重量份)進行配料：Ti₂AlN：3，碳納米管：2.5，銀：94.5，其中Ti₂AlN的平均粒度(費氏)為8μm，純度為98％。將上述原料粉末放入滾筒式球磨機中進行濕磨分散，球磨轉速為30轉/分鐘，研磨時間為72小時，研磨體采用直徑為的WC-8wt％Co硬質合金球，球料比為10:1，濕磨介質為無水乙醇。將研磨后的混合漿料過篩，于80℃條件下沉淀干燥4～5小時。按混合料重量的1wt％摻入聚乙二醇作為成型劑，混合均勻后進行干燥、制粒，得到流動性良好的混合細粉料。將混合細粉料裝入模具中以220MPa的壓力壓制成型，再將壓坯放入真空爐中進行脫膠，脫膠工藝在真空度高于5Pa下進行，在升溫至260℃保溫40分鐘，550℃保溫40分鐘；然后將合格的粉末壓坯放入氫氣燒結爐中，所述塊狀生坯按照升溫速率20℃/分鐘升溫至870℃，并保溫1.5小時，冷卻后得到層狀三元陶瓷增強銀基復合材料。將燒結成型的銀基電接觸復合材料在850℃下熱擠壓成型，其中模具預熱溫度600℃，坯料溫度800℃，擠壓比范圍為10，擠壓速度為5cm/分鐘。根據上述成分和工藝條件制備的新型銀基復合電接觸材料組織均勻，其微觀形貌如圖所示。測出上述銀基復合電接觸材的性能指標為：抗拉強度219MPa，維氏硬度HV_0.2：97，電阻率：2.01μΩ·cm。

實施例2：

首先將碳納米管加入到混酸(V_濃硝酸：V_濃硫酸＝3：1)溶液中，在攪拌速度為300轉/分鐘，溫度為70℃條件下處理5小時，自然冷卻過濾洗滌后于60℃條件下真空干燥10小時，得到經預處理的多壁碳納米管。隨后按以下的組分及含量(重量份)進行配料：Ti₂AlN：10，碳納米管：1.5，銀：88.5，其中Ti₂AlN的平均粒度(費氏)為15μm，純度為95％。將上述原料粉末放入滾筒式球磨機中進行濕磨分散，球磨轉速為22r/min，研磨時間為82h，研磨體采用直徑為的WC-8wt％Co硬質合金球，球料比為10:1，濕磨介質為無水乙醇。將研磨后的混合漿料過篩，于80℃條件下沉淀干燥4～5小時。按混合料重量的1.2wt％摻入聚乙二醇作為成型劑，混合均勻后進行干燥、制粒，得到流動性良好的混合細粉料。將混合細粉料裝入模具中以200MPa的壓力壓制成型，再將壓坯放入真空爐中進行脫膠，脫膠工藝在真空度高于5Pa下進行，在升溫至300℃保溫90分鐘，500℃時保溫90分鐘；然后將合格的粉末壓坯放入氫氣燒結爐中，所述塊狀生坯按照升溫速率10℃/分鐘升溫至900℃，并保溫0.5小時，冷卻后得到層狀三元陶瓷增強銀基復合材料。將燒結成型的銀基電接觸復合材料在800℃下熱擠壓成型，其中模具預熱溫度700℃，坯料溫度800℃，擠壓比范圍為50，擠壓速度為15cm/分鐘。測出上述銀基復合電接觸材的性能指標為：抗拉強度194MPa，維氏硬度HV_0.2：85，電阻率：2.13μΩ·cm。

實施例3：

首先將碳納米管加入到混酸(V_濃硝酸：V_濃硫酸＝3：1)溶液中，在攪拌速度為600轉/分鐘，溫度為90℃條件下處理1小時，自然冷卻過濾洗滌后于80℃條件下真空干燥4小時，得到經預處理的多壁碳納米管。隨后按以下的組分及含量(重量份)進行配料：Ti₂AlN：15，碳納米管：3，銀：82，其中Ti₂AlN的平均粒度(費氏)為30μm，純度為98％。將上述原料粉末放入滾筒式球磨機中進行濕磨分散，球磨轉速為26r/min，研磨時間為80h，研磨體采用直徑為的WC-8wt％Co硬質合金球，球料比為10:1，濕磨介質為無水乙醇。將研磨后的混合漿料過篩，于80℃條件下沉淀干燥4～5小時。按混合料重量的1.4wt％摻入石蠟作為成型劑，混合均勻后進行干燥、制粒，得到流動性良好的混合細粉料。將混合細粉料裝入模具中以300MPa的壓力壓制成型，再將壓坯放入真空爐中進行脫膠，脫膠工藝在真空度高于5Pa下進行，在升溫至280℃保溫60分鐘，560℃時保溫60分鐘；然后將合格的粉末壓坯放入氫氣燒結爐中，所述塊狀生坯按照升溫速率15℃/分鐘升溫至930℃，并保溫3小時，冷卻后得到層狀三元陶瓷增強銀基復合材料。將燒結成型的銀基電接觸復合材料在900℃下熱擠壓成型，其中模具預熱溫度700℃，坯料溫度850℃，擠壓比范圍為50，擠壓速度為5cm/分鐘。測出上述銀基復合電接觸材的性能指標為：抗拉強度154MPa，維氏硬度HV_0.2：104，電阻率：2.25μΩ·cm。

實施例4：

首先將碳納米管加入到混酸(V_濃硝酸：V_濃硫酸＝3：1)溶液中，在攪拌速度為400轉/分鐘，溫度為70℃條件下處理4小時，自然冷卻過濾洗滌后于80℃條件下真空干燥5小時，得到經預處理的多壁碳納米管。隨后按以下的組分及含量(重量份)進行配料：Ti₂AlN：20，碳納米管：1，銀：79，其中Ti₂AlN的平均粒度(費氏)為2μm，純度為95％。將上述原料粉末放入滾筒式球磨機中進行濕磨分散，球磨轉速為25r/min，研磨時間為75h，研磨體采用直徑為的WC-8wt％Co硬質合金球，球料比為10:1，濕磨介質為無水乙醇。將研磨后的混合漿料過篩，于80℃條件下沉淀干燥4～5小時。按混合料重量的1wt％摻入聚乙二醇作為成型劑，混合均勻后進行干燥、制粒，得到流動性良好的混合細粉料。將混合細粉料裝入模具中以200MPa的壓力壓制成型，再將壓坯放入真空爐中進行脫膠，脫膠工藝在真空度高于5Pa下進行，在升溫至350℃保溫40分鐘，600℃時保溫40分鐘；然后將合格的粉末壓坯放入氫氣燒結爐中，所述塊狀生坯按照升溫速率30℃/分鐘升溫至980℃，并保溫1小時，冷卻后得到層狀三元陶瓷增強銀基復合材料。將燒結成型的銀基電接觸復合材料在900℃下熱擠壓成型，其中模具預熱溫度700℃，坯料溫度850℃，擠壓比范圍為20，擠壓速度為10cm/分鐘。測出上述銀基復合電接觸材的性能指標為：抗拉強度128MPa，維氏硬度HV_0.2：117，電阻率：2.21μΩ·cm。