复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料的制备方法

1.本发明属于电触点材料制备技术领域，涉及一种复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料的制备方法。


背景技术：

2.触点材料作为电器电子产品中的关键接触元件，是智能装备在各种电力环境下高效稳定运行的重要基础，是先进材料设计制备与电力电子技术之间的桥梁，也是现代工业和国防的重要支撑。银氧化锡(ag-sno2)作为一种无毒环保材料，因其优良的电接触性能而被广泛应用于触点材料领域。
3.然而，传统的粉末冶金法和熔炼法制备的银氧化锡触点，其组织中第二相多以离散或骨架结构随机分布于银基体中，当第二相含量较高时会产生较多界面，严重降低触点的导电、导热和力学性能。特别是多次开断后，反复的电弧侵蚀导致触点表面产生明显的偏析，严重降低触点的服役寿命，制约了其作为电接触材料在中低压断路器中的应用。因此，亟需研制一种新的制备方法，制备性能更好的复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料的制备方法，解决了现有技术制备方法过程设置不完善，所得成品在使用过程中性能可靠性不够，使用寿命短的问题。
5.本发明所采用的技术方案是，一种复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料的制备方法，按照以下步骤实施：
6.步骤1、配制锡盐溶液，
7.将锡盐粉末和无水乙醇搅拌均匀；然后加入n.n-二甲基甲酰胺溶液，搅拌均匀，得到锡盐溶液；重新设置搅拌参数，边搅拌边加入聚乙烯吡咯烷酮粉末，得到前驱体溶液；
8.步骤2、进行静电纺丝，
9.在静电纺丝机中铺好铝箔纸，将两个注射器各吸取前驱体溶液并固定在泵上相应位置，设置纺丝参数；开始纺丝，得到纳米纤维薄膜；
10.步骤3、进行冷压成型，
11.将静电纺丝获得的纳米纤维薄膜切成圆形薄膜，将圆形薄膜堆叠制成多层纤维层；随后称取银粉，分别一层一层堆叠银粉及多层纤维层，并平铺于冷压模具中；再将冷压模具放入压力机中，设置冷压成型的参数，冷压成型后得到冷压样块体；
12.步骤4、制备三明治结构预制体，
13.将冷压样块体放入管式炉中，设置好烧结参数，烧结冷压样块体，得到三明治结构预制体；
14.步骤5、利用等离子热压烧结法(sps)，制备复合纤维层增强三明治结构银氧化锡
触点材料，
15.将三明治结构预制体置入石墨模具内，再将石墨磨具放入sps烧结炉中；抽真空并输入烧结工艺；运行工艺，等待烧结结束，制得复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料。
16.本发明的有益效果是，与现有技术相比，该触点材料中sno2含量和三明治结构厚度可控，可在触点基体中形成贯通的银导电通路，同时三明治结构中的sno2纤维复合层，可显著延缓由反复电弧侵蚀造成的表面偏析过程，增强触点的导电、导热、力学和耐电弧侵蚀性能，延长银氧化锡触点的服役寿命，同时节银减排，减少产品生产成本。此外，本发明制备的复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料在保证使役性能的同时，其制备过程具有加热均匀，升温速度快，烧结温度低，烧结时间短，生产效率高等优势，可实现批量化大规模生产，对实际应用有较强的指导意义。
附图说明
17.图1是本发明制备方法的流程简图。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
19.参照图1，本发明的制备方法，用于制备一种复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料，按照以下步骤实施：
20.步骤1、配制锡盐溶液，
21.将锡盐粉末和无水乙醇一起加入烧杯中搅拌，搅拌20min，然后加入n.n-二甲基甲酰胺(dmf)溶液，搅拌均匀，得到锡盐溶液；重新设置搅拌参数(包括搅拌温度、搅拌转速和搅拌时间)，边搅拌边加入聚乙烯吡咯烷酮(pvp)粉末，得到静电纺丝用的前驱体溶液；
22.锡盐粉末选用氯化亚锡、硫酸亚锡、硝酸亚锡中的一种；
23.锡盐粉末与无水乙醇的质量比为1：2，n.n-二甲基甲酰胺(dmf)溶液与锡盐的质量比为1：2，聚乙烯吡咯烷酮(pvp)粉末与锡盐的质量比为3：2。
24.步骤2、进行静电纺丝，
25.在静电纺丝机中铺好铝箔纸，将两个注射器各吸取前驱体溶液并固定在泵上相应位置，设置纺丝参数(包括推进速度、注射器容量和正负压)；开始纺丝，得到纳米纤维薄膜，纺丝结束后收集纳米纤维薄膜，装袋备用；
26.纺丝参数的设置：推进速度为0.5-1.3ml/h，注射器容量10-20ml；纺丝所需的负压为3-5kv，正压为12-18kv。
27.步骤3、进行冷压成型，
28.将静电纺丝获得的纳米纤维薄膜使用刀具切成圆形薄膜，将10-20层的圆形薄膜堆叠制成多层纤维层；随后称取银粉，分别一层一层堆叠银粉及多层纤维层，总共堆叠10层银粉和10层的多层纤维层，并平铺于直径18mm的冷压模具中；再将冷压模具放入压力机中，设置成型压力为20mpa并保压10min，冷压成型后得到冷压样块体；
29.每一层的银粉质量为0.5g-1.5g，每一多层纤维层包括10-20层的圆形薄膜堆叠而成；
30.步骤4、制备三明治结构预制体，
31.将冷压样块体放入管式炉中，设置好烧结参数(烧结温度为650-850℃，保温时间为0.5-5h)，烧结冷压样块体，得到三明治结构预制体；
32.步骤5、利用等离子热压烧结法，制备复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料，
33.将三明治结构预制体置入直径20mm的石墨模具内，再将石墨磨具放入sps烧结炉中；抽真空并输入烧结工艺，分别设定烧结压力、烧结温度、升温速率和保压时间(参数设置：sps烧结压力40-90mpa，烧结温度为750-950℃，升温速率为20-60℃/min，保温保压时间为15-60min)；运行工艺，等待烧结结束，制得复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料。
34.实施例1
35.(1)配制锡盐溶液，将3g无水乙醇和1.5g氯化亚锡一起加入烧杯中搅拌20min后，再加入3g的dmf溶液，搅拌均匀，得到锡盐溶液；设置搅拌温度为45℃，搅拌转速为2100r/min转，边搅拌边加入2.25g聚乙烯吡咯烷酮(pvp)粉末，搅拌12h，制得静电纺丝的前驱体溶液；
36.(2)进行静电纺丝，在静电纺丝机中铺好铝箔纸，将两个注射器各吸取5ml前驱体溶液固定在泵上，设置推进速度为1ml/h，注射器容量为10ml，设置纺丝所需的负压为-5kv、正压为14kv；然后进行纺丝，待纺丝结束后收集纳米纤维薄膜，装袋备用；
37.(3)制备冷压样块体，将静电纺丝获得的纳米纤维薄膜使用刀具切成圆形薄膜，将10层圆形薄膜堆叠制成多层纤维层；随后按照每一层称取0.6g银粉，分别一层一层堆叠银粉与多层纤维层，总共堆叠10层银粉和10层的多层纤维层，并平铺于直径18mm的冷压模具中；将冷压模具放入压力机中，设置成型压力为20mpa并保压10min，冷压成型后得到冷压样块体；
38.(4)制备三明治结构预制体，将冷压样块体放入管式炉中，设置烧结温度为650℃，保温时间5h，烧结冷压样块体，得到三明治结构预制体；
39.(5)利用等离子热压烧结法(sps)制备复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料，将三明治结构预制体置入直径20mm的石墨模具内，将石墨磨具放入sps烧结炉中；抽真空并输入烧结工艺，设定烧结压力为60mpa，烧结温度为850℃，升温速率为30℃/min，保压时间为30min；运行工艺，等待烧结结束，制得复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料。
40.本实施例制备的产品，密度为9.68g/cm3，电导率为74％iacs，硬度为98hv，完全符合技术要求。
41.实施例2：配置锡盐溶液过程中锡盐品种的选取结果比较。
42.(1)锡盐溶液1的制备：
43.称取3g无水乙醇和1.5g氯化亚锡加入烧杯中搅拌，搅拌20min后加入3g的dmf溶液，设置搅拌温度为45℃，搅拌转速为2100r/min，边搅拌边加入2.25g聚乙烯吡咯烷酮(pvp)粉末，搅拌12h后得到静电纺丝用的前驱体溶液；
44.(2)锡盐溶液2的制备：
45.将锡盐溶液1中氯化亚锡用硫酸亚锡代替，其他步骤均相同，制得锡盐溶液2。
46.(3)锡盐溶液3的制备：
47.将锡盐溶液1中氯化亚锡用硝酸亚锡代替，其他步骤均相同，制得锡盐溶液3。
48.(4)其他步骤均与实施例1相同，通过对各自制备的锡盐溶液进行观察比较，锡盐溶液2与锡盐溶液3中均有少量沉淀，锡盐溶液1中无沉淀，说明氯化亚锡在无水乙醇中的溶解度最好，因此优先选择氯化亚锡配置锡盐溶液。
49.实施例3：静电纺丝过程中不同注射器推进速度的比较。
50.(1)推进速度1的设置：
51.在静电纺丝机中铺好铝箔纸，将两个注射器各吸取5ml前驱体溶液固定在泵上，设置推进速度为0.8ml/h，注射器容量为10ml，设置纺丝所需的负压为-5kv、正压为14kv；进行纺丝，待纺丝结束后收集纳米纤维薄膜；
52.(2)推进速度2的设置：
53.将推进速度1中0.8ml/h用1ml/h代替，其他步骤均相同。
54.(3)推进速度3的设置：
55.将推进速度1中0.8ml/h用1.2ml/h代替，其他步骤均相同。
56.(4)其他步骤均与实施例1相同，对各个推进速度下制得的纳米纤维薄膜进行观察比较，推进速度2所得到的纳米纤维薄膜分布均匀，直径约为700nm符合要求，而推进速度1与推进速度3在静电纺丝过程中针头均有液滴流出，影响纺丝质量，因此优先选择推进速度2进行静电纺丝操作。
57.实施例4：静电纺丝过程中所施加正压的比较。
58.(1)施加电压1的设置：
59.将两个注射器各吸入5ml的前驱体溶液并固定在静电纺丝泵上，设置好推进速度1ml/h，注射器容量10ml，启动滚轴，注射泵左右移动，设置好纺丝的负压-5kv，正压12kv，开始纺丝。
60.(2)施加电压2的设置：
61.将施加电压1中的正压12kv用14kv代替，其他步骤均相同。
62.(3)施加电压3的设置：
63.将施加电压1中的正压12kv用16kv代替，其他步骤均相同。
64.(4)其他步骤均与实施例1相同，观察实验过程，以及对实验制得的纳米纤维薄膜进行对比，施加电压1实验中发现纳米纤维薄膜不能成丝，施加电压3实验制得的纤维直径分布不均匀，施加电压2制得的纳米纤维薄膜形貌与直径均符合实验要求，因此，优先选择施加电压2进行静电纺丝操作。
65.实施例5：冷压过程中银粉与纤维铺叠质量的比较。
66.(1)铺叠方案1的设置：
67.先将一层0.6g的银粉均匀铺在直径18mm的冷压模具中，再平铺10层结构的多层纤维层，再均匀平铺0.6g银粉，以此类推，共堆叠10个银粉层和10个多层纤维层。
68.(2)铺叠方案2的设置：
69.将每一层0.6g更换为一层1.2g的银粉，均匀铺在直径18mm的冷压模具中，其他步骤与铺叠方案1相同。
70.(3)铺叠方案3的设置：
71.将每一层0.6g更换为一层1.5g的银粉，均匀铺在直径18mm的冷压模具中，其他步骤与铺叠方案1相同。
72.(4)其他步骤均与实施例1相同，通过实验发现，铺叠方案2制得的触点其抗电弧侵蚀能力明显高于其他两种方案，因此，优先选择铺叠方案2进行实际操作。
73.实施例6：管式炉烧结过程中温度设置的比较。
74.(1)温度选择1的设置：
75.将冷压样块体放入管式炉中，打开电源开关，调节实验时间，调节实验温度为650℃，开始实验。
76.(2)温度选择2的设置：
77.将温度选择1中的温度650℃用温度750℃代替，其他步骤均相同。
78.(3)温度选择3的设置：
79.将温度选择1中的温度650℃用温度850℃代替，其他步骤均相同。
80.(4)上述三种情况下其他步骤均与实施例1相同，将管式炉烧结后的产物进行分析，温度选择2产物和温度选择3产物除了二氧化锡纤维外还存在一些二氧化锡颗粒，而温度选择1产物基本为二氧化锡纤维，因此，优先选择在650℃情况下进行管式炉烧结的实施。
81.实施例7：sps烧结过程中温度设置的比较。
82.(1)温度选择1的设置：
83.将模具与步骤4)所得的成品放入sps烧结炉内，输入工艺，设置烧结温度750℃，运行工艺，开始实验。
84.(2)温度选择2的设置：
85.将温度选择1中的温度750℃用温度850℃代替，其他步骤均相同。
86.(3)温度选择3的设置：
87.将温度选择1中的温度750℃用温度950℃代替，其他步骤均相同。
88.(4)上述三种情况下其他步骤均与实施例1相同，实验结束后对样品进行分析，温度选择1实验得到的样品密度为9.44g/cm3，其致密性较差，温度选择3得到的样品组织偏析情况较为明显，温度选择2得到的样品密度为9.68g/cm3，电导率为74％iacs，硬度为98hv，性能均符合要求，因此，优先选择850℃进行sps烧结的实施。
89.综上所述，本发明方法制备的复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料，其sno2复合纤维层以及三明治增强结构可形成贯通的银导电通路，提高银氧化锡触点的电导率，增强触点的力学性能和抗侵蚀性能，延长触头材料的服役寿命，同时可节银减排，降低银氧化锡触点的成本并扩展其应用范围，可用于中大容量交直流接触器、交直流功率继电器、汽车电器等。

技术特征：
1.一种复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1、配制锡盐溶液，将锡盐粉末和无水乙醇搅拌均匀，然后加入n.n-二甲基甲酰胺溶液，搅拌均匀，得到锡盐溶液；重新设置搅拌参数，边搅拌边加入聚乙烯吡咯烷酮粉末，得到前驱体溶液；步骤2、进行静电纺丝，在静电纺丝机中铺好铝箔纸，将两个注射器各吸取前驱体溶液并固定在泵上相应位置，设置纺丝参数；开始纺丝，得到纳米纤维薄膜；步骤3、进行冷压成型，将静电纺丝获得的纳米纤维薄膜切成圆形薄膜，将圆形薄膜堆叠制成多层纤维层；随后称取银粉，分别一层一层堆叠银粉及多层纤维层，并平铺于冷压模具中；再将冷压模具放入压力机中，设置冷压成型的参数，冷压成型后得到冷压样块体；步骤4、制备三明治结构预制体，将冷压样块体放入管式炉中，设置好烧结参数，烧结冷压样块体，得到三明治结构预制体；步骤5、利用等离子热压烧结法，制备复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料，将三明治结构预制体置入石墨模具内，再将石墨磨具放入sps烧结炉中；抽真空并输入烧结工艺；运行工艺，等待烧结结束，制得复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料。2.根据权利要求1所述的复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料的制备方法，其特征在于：所述的锡盐粉末选用氯化亚锡、硫酸亚锡、硝酸亚锡中的一种。3.根据权利要求1所述的复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料的制备方法，其特征在于：所述的锡盐粉末与无水乙醇的质量比为1：2，n.n-二甲基甲酰胺溶液与锡盐的质量比为1：2，聚乙烯吡咯烷酮粉末与锡盐的质量比为3：2。4.根据权利要求1所述的复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料的制备方法，其特征在于：所述的纺丝参数为：推进速度为0.5-1.3ml/h，注射器容量10-20ml；纺丝所需的负压为3-5kv，正压为12-18kv。5.根据权利要求1所述的复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料的制备方法，其特征在于：步骤3中，每一层的银粉质量为0.5-1.5g，每一多层纤维层包括10-20层的圆形薄膜堆叠而成。6.根据权利要求1所述的复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料的制备方法，其特征在于：所述的冷压成型的参数为：压力为20mpa并保压10min。7.根据权利要求1所述的复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料的制备方法，其特征在于：所述的烧结参数为：烧结温度为650-850℃，保温时间为0.5-5h。8.根据权利要求1所述的复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料的制备方法，其特征在于：所述的sps烧结工艺的参数是：烧结压力为40-90mpa，烧结温度为750-950℃，升温速率为20-60℃/min，保温保压时间为15-60min。

技术总结
本发明公开了一种复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料的制备方法，步骤包括：步骤1、配制锡盐溶液，得到前驱体溶液；步骤2、进行静电纺丝，得到纳米纤维薄膜；步骤3、进行冷压成型，得到冷压样块体；步骤4、制备三明治结构预制体；步骤5、利用等离子热压烧结法，制备复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料，将三明治结构预制体置入石墨模具内，再将石墨磨具放入SPS烧结炉中；抽真空并输入烧结工艺；运行工艺，等待烧结结束，制得复合纤维层增强三明治结构银氧化锡触点材料。本发明的方法，显著延缓由反复电弧侵蚀造成的表面偏析过程，增强触点的导电、导热、力学和耐电弧侵蚀性能，延长银氧化锡触点的寿命。延长银氧化锡触点的寿命。延长银氧化锡触点的寿命。


技术研发人员：王哲 文凯 聂慧玲 于丛豪
受保护的技术使用者：西安工程大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/4