[发明专利]金属-石墨烯复合产品及其制备方法

说明书

本公开涉及一种呈电力应用的滑动接触形式的金属‑石墨烯复合产品，其中石墨烯薄片分散在金属的基质中，以及获得这样的复合产品的方法。

技术领域

本公开涉及一种用于电力开关的滑动接触的金属复合材料。

背景技术

基于银(Ag)的接触材料常被用于各种电力开关装置中，在这些装置中，低损耗和终身稳定的接触性能至关重要。由于其电性能，Ag在电弧和滑动接触系统中用作基础材料。然而，Ag的机械和摩擦学性能并不令人瞩目。它柔软，容易包覆到对偶面上。对于滑动接触，这通常意味着高磨损率和高摩擦。

当Ag被用于与铜(Cu)或Ag对偶面相对的滑动接触配置中时，考虑到磨耗，必须在接触处加入大量的银。Ag包覆到对偶面上将实质上产生Ag-Ag接触。在无润滑剂的环境中，这样的接触的摩擦系数(COF)高达1.5或更高。在机械系统中，该摩擦需要通过装置的机械驱动系统来克服，该机械驱动系统继而又耗费驱动能并在机械系统选型方面付出尺寸的代价。

然而，由于其电性能，Ag仍然被用于许多应用中，例如，有载抽头变换器(on-loadtap changer)(OL TC)和各种断路器中。

减小基于Ag的接触中的摩擦的一种常用方法是施加润滑接触油脂。然而，由于高的开关需求，例如在装置寿命期间数十万或甚至数百万次的操作，故如果不定期添加更多的油脂，则油脂不是可持续的解决方案。另外，装置上的热负荷可能导致油脂蒸发或分解，这会导致阻力增大和接触性能不稳定。在诸如OL TC的应用中，其中开关元件被浸没在电绝缘变压器油中，甚至不可能施加液体润滑油或油脂。

向金属银中加入石墨(以几个重量百分数的浓度，重量％)可使对Ag或Cu对偶面的COF降低至大约0.3。然而，由于碳表面与Ag基质的低粘附性，这样的复合材料的硬度和密度将受到限制。这使得Ag-石墨元件磨损率高并生成大量颗粒。

所谓的“硬银”(例如，64)——含Ag、Cu和少量锑(Sb)的Ag合金被用于一些商业应用中。Sb显著提高该合金的硬度，导电性相当好，但对Cu的COF仍为大约0.3-0.4。

已知石墨烯(G)和氧化石墨烯(GO)作为金属-金属接触中的顶涂层具有润滑效果[F.Mao et al.,J.Mater.Sci.,2015,50,6518；和D.Berman et al.,Materials Today,2014,17(1),31]。也有对在铝(Al)的结构复合物中具有润滑效果的石墨烯的研究[M.Tabandeh-Khorshid et al.,J.Engineering Sci.and Techn.,2016,19,463]。文献中已报道在干燥的金属-金属接触中低至约0.2的摩擦系数。

使用石墨烯和相关材料进行此类应用存在一些普遍的挑战。从供应商处获得的材料的质量和纯度差异很大，尤其是氧化石墨烯，其几乎总是由成熟的Hummer's方法生产，通常含有钙(Ca)和镁(Mg)残留物并以广泛范围的薄片尺寸供应。另一个众所周知的事实是G、尤其是GO倾向于团聚而难以分散在金属基质中。另外，纯石墨烯仍然非常昂贵，从工业角度来看，这使得氧化石墨烯更具吸引力。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种金属-石墨烯复合材料，其具有改进的摩擦性能，用于电力开关的滑动接触。

本发明涉及一种具有异常好的性能的金属-石墨烯复合材料，尤其是作为滑动接触材料。

石墨烯通常呈薄片的形式，具有从单个石墨烯层(埃范围厚度)到具有纳米范围厚度的石墨烯纳米片(NS)的厚度。

使用氧化石墨烯GO而不是非氧化石墨烯G作为新型复合接触材料的一些实施方案的低成本石墨烯起始材料将降低成本。然而，在其他实施方案中，可使用任何类型的石墨烯，例如G或者GO和G的任何混合物。术语“石墨烯”旨在涵盖G和任何氧化石墨烯GO以及它们的任何混合物。