[发明专利]具有微观定向结构的铜基触头材料及其制备方法

说明书

本发明属于金属基复合材料领域，具体为一种具有微观定向结构的铜基触头材料及其制备方法。该材料由质量分数为5％～85％的基体相(铜或铜合金)和第二相(铬、铬合金、碳化钨或碳化硅)复合组成，并且微观上两相沿制备过程的冷冻方向相间排列。该材料通过浆料配制、冷冻铸造和真空冷冻干燥、去有机质和骨架烧结以及骨架熔渗的工艺流程制备而成，材料中两相的含量通过调节浆料配比加以控制。本发明的铜基触头材料具有良好的塑性和韧性以及高温力学性能，特别是沿微观结构方向表现出优异的导电和导热性能，因此有望显著提升触头的使用效果，减少能量消耗。

技术领域

本发明属于金属基复合材料领域，具体为一种具有微观定向结构的铜基触头材料及其制备方法。

背景技术

触头是电器开关、断路器、继电器等电器的接触部件，担负着电路的接通、断开、载流和隔离的任务，其质量优劣、性能好坏直接影响开关设备的性能和稳定性，从而影响电器设备乃至整个电气系统的正常运行。铜基复合材料是目前应用较为广泛的一类触头材料，一般以铜或铜合金作为基体相，以钨、铬、碳化钨等高熔点金属或化合物作为第二相，微观上两相相互混合，从而将基体相的导电、导热性能和第二相的强化、硬化效果以及高温稳定性、抗电弧烧蚀性能结合起来，满足触头的使用要求。

目前，铜基触头材料的微观结构通常较为单一，其基体相和第二相的分布较为均匀，并且两相在空间上没有特定的择优取向，这使得铜基触头材料的性能具有各向同性的特点。然而，在触头材料的实际服役过程中，电流往往仅沿着特定的方向传导。因此，目前的铜基触头材料的性能优势无法在实际使用方向上得以充分发挥。同时，尽管两相在三维空间内相互连通，但是沿任一方向连通的路径都是非常狭窄和曲折的，因而无法实现良好的导电性和导热性。此外，基体相较差的空间连通性也在很大程度上制约铜基触头材料的塑性和韧性，使得触头材料相比于基体相明显变脆，从而限制其实际使用效果和应用范围。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种具有微观定向结构的铜基触头材料，通过微观结构设计改善触头的导电、导热性能和力学性能，从而提升其使用效果并降低能源损耗，本发明的目的之二在于提供一种具有微观定向结构的铜基触头材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术解决方案如下：

一种具有微观定向结构的铜基触头材料，所述的铜基触头材料由基体相和第二相复合组成，其中基体相为铜或铜合金，第二相为铬、铬合金、碳化钨或碳化硅，以质量百分数计，基体相含量为5％～85％；所述的铜基触头材料微观上具有定向结构，具体表现为基体相和第二相沿材料制备过程的冷冻方向相间排列，基体相片层厚度为0.1μm～350μm，片层间距为0.2μm～200μm。

所述的具有微观定向结构的铜基触头材料的制备方法，包括以下步骤：

(A)浆料配制：称取第二相粉体、水和添加剂，将其充分混合，得到均匀分散的水基浆料；

(B)冷冻铸造和真空冷冻干燥：利用冷冻铸造工艺处理水基浆料，使其中的水沿冷冻方向发生定向凝固，从而将第二相粉体和添加剂排挤到冰层之间，使第二相粉体和添加剂微观上定向排列，对凝固的水基浆料脱模后，进行真空冷冻干燥处理去除其含有的水分，得到具有定向多孔结构的第二相坯体；

(C)去有机质和骨架烧结：对坯体进行高温处理去除其含有的有机质，然后对去除有机质后的坯体进行高温烧结，得到由第二相组成的具有微观定向结构的多孔骨架；

(D)骨架熔渗：将铜或铜合金加热融化后，浸渗入烧结好的第二相多孔骨架中，使铜或铜合金的熔体填充骨架的孔隙，待铜或铜合金的熔体凝固冷却后，切除多余的铜或铜合金，得到具有微观定向结构的铜基触头材料。