CN113481404B - 一种表面改性的铜母线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铜母线的表面处理技术领域，具体涉及一种表面改性的铜母线及其制备方法。该表面改性的铜母线，具有搭接面和非搭接面在铜母线的搭接面和非搭接面上通过磁控溅射技术附着有银底层，在非搭接面的银底层上涂覆有石墨烯薄膜层，对其表面改性处理，银底层厚度8～12μm，石墨烯薄膜层厚度80～100μm。本发明还公开了了该表面改性的铜母线的制备方法。本发明针对现有技术的不足，提供一种性能可靠的表面改性的铜母线及其制备方法，能够提高现有铜母线的导电性能和散热性能，具有较好的综合电气性能。

Description

一种表面改性的铜母线及其制备方法

技术领域

本发明专利涉及铜母线的表面处理技术领域，具体涉及一种表面改性的铜母线及其制备方法。

背景技术

铜母线又称铜排或铜汇流排，截面为矩形或倒角(圆角)矩形的长导体，在电路中起输送电流和连接电气设备的作用。近年来，国家加大基础产业和自主创新的投资发展力度，大型水电站、核电站、地铁、机场、高速列车、高新技术产品等大型项目的建设，对项目建设中所使用的各种电气装备导电元件的铜母线技术性能如：导电率、硬度、韧性、弯曲，导电元件的安全性能如：重量、温升、电流载荷方面都提出了更高的要求；铜母线的安全性能好坏又取决于铜母线的技术性能。

目前，随着经济不断的增长，企业和家庭的用电量逐步升高，对供电设备不断进行扩容，母线承载的电流不断提高导致母线发热严重，而铜母线在过热情况下极易受到腐蚀，而影响供电温度性和供电安全。如何最大程度地提高散热效率，是当铜母线急需解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种性能可靠的表面改性的铜母线及其制备方法，能够提高现有铜母线的导电性能和散热性能，具有较好的综合电气性能。

本发明的技术方案是这样实现的：一种表面改性的铜母线，具有搭接面和非搭接面，其特征在于，在铜母线的搭接面和非搭接面上通过磁控溅射技术附着有银底层，在非搭接面的银底层上涂覆有石墨烯薄膜层，对其表面改性处理，所述银底层厚度8～12μm，石墨烯薄膜层厚度80～100μm。

所述铜母线按照质量分数由以下原料制成：Ag 0.4～1％，B 2～3.5％，Ti0.003～0.005％，Mn 0.007～0.012％，V 0.002～0.004％，Sr 0.002～0.03％，Co0.002～0.05％，Ni 0.001～0.003％，稀土氧化物0.002～0.004％，其余为Cu和不可避免的杂质。

所述铜母线按照质量分数由以下原料制成：Ag 0.5％，B 2.3％，Ti 0.004％，Mn0.009％，V 0.003％，Sr 0.008％，Co 0.02％，Ni 0.002％，稀土氧化物0.003％，其余为Cu和不可避免的杂质。

本发明还提供了该表面改性的铜母线的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

S1)制备铜母线；

S2)表面处理：对铜母线进行机械抛光,使其表面粗糙度Ra≤0.15μm,再用无水乙醇对铜母线进行超声清洗处理；

S3)制备银底层：将铜母线放入磁控溅射设备内并抽真空，然后控制磁控溅射镀膜工艺参数在铜母线整体表面沉积一层微米级厚度的银底层；

S4)制备石墨烯分散液：将石墨烯混合液用超声波分散3～5h，获得均匀的石墨烯分散液；

S5)制备石墨烯薄膜层：使用喷雾枪,以高压空气为载气，氩气作为防氧化的保护气体，将步骤S4中得到的石墨烯分散液均匀地喷涂在铜母线的非搭接面，最后经过固化处理得到石墨烯薄膜层。

所述步骤S3中，磁控溅射过程所采用的靶材为质量纯度99.9％的银，溅射功率为100W～150W，氩气气压为1.1Pa，沉积时间为30min～1h。

所述步骤S4中，石墨烯混合液按照质量百分比由以下原料制成：无水乙醇溶液70％、石墨烯粉末20％、表面活性剂8％和硝酸铜溶液2％。

所述步骤S5中，喷雾枪采用的高压空气压力为12MPa，惰性气体为气压0.3～0.6MPa氩气。

所述步骤S1中，铜母线的制备包括以下步骤：

a)将原料破碎成粒度小于60mm的粉料，然后按计算的原料配比进行配料并混合均匀,得到混合粉料待用；

b)将混合粉料在250MPa～300MPa下进行压坯，压坯后放入真空炉中进行熔炼，向真空炉中通入氩气，控制温度在950℃～1250℃，熔炼3h～5h，得到熔体；

c)将得到的熔体进行半连续铸造，得到铜母线半连续坯料；

d)在温度为780℃～840℃下对铜母线半连续坯料进行均匀化处理，再将铜银合金半连续坯料进行1～2个循环3～6道次的交叉周转轧，得到厚度均匀的铜母线坯；

e)将铜母线坯进入快速模锻机，压制成规定形状的铜母线。

本发明解决了背景技术中存在的缺陷,具有以下有益效果：

本发明结构设计科学合理，在保持铜银合金高导电率的情况下，还能提高表面改性的铜母线的抗拉强度和耐磨性能。本发明提供的表面改性的铜母线，搭接面和非搭接面上均覆着有银底层，提高了铜母线的导电性能，使其导电性、耐压性能、局部放电性能得到提升，提高了产品的综合电气性能；对于非搭接面，在银底层的表面上喷涂石墨烯薄膜层，由于石墨烯具有较高的导热系数，比一般的金属导热系数高出许多，因此能提高铜母线在导电回路的散热性能，提高用电安全性。通过用磁控溅射镀膜技术通过在铜母线表面沉积银底层，对母材表面进行改性处理，阻止了母材表面致密金属氧化物层的生成，提高了母材表面活性，提高抗腐蚀性能。

附图说明

图1为本发明表面改性的铜母线结构示意图；

图中：1-非搭接面，2-搭接面，3-银底层，4-石墨烯薄膜层。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种表面改性的铜母线的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

S1)制备铜母线；铜母线按照质量分数由以下原料制成：Ag 0.5％，B 2.3％，Ti0.004％，Mn 0.009％，V 0.003％，Sr 0.008％，Co 0.02％，Ni 0.002％，稀土氧化物0.003％，其余为Cu和不可避免的杂质。

a)将原料破碎成粒度小于60mm的粉料，然后按计算的原料配比进行配料并混合均匀,得到混合粉料待用；

b)将混合粉料在250MPa～300MPa下进行压坯，压坯后放入真空炉中进行熔炼，向真空炉中通入氩气，控制温度在950℃～1250℃，熔炼4h，得到熔体；

c)将得到的熔体进行半连续铸造，得到铜母线半连续坯料；

d)在温度为810℃下对铜母线半连续坯料进行均匀化处理，再将铜银合金半连续坯料进行1～2个循环3～6道次的交叉周转轧，得到厚度均匀的铜母线坯；

e)将铜母线坯进入快速模锻机，压制成规定形状的铜母线。

S2)表面处理：对铜母线进行机械抛光,使其表面粗糙度Ra≤0.15μm,再用无水乙醇对铜母线进行超声清洗处理；

S3)制备银底层3：将铜母线放入磁控溅射设备内并抽真空，然后控制磁控溅射镀膜工艺参数在铜母线整体表面沉积一层微米级厚度的银底层3；磁控溅射过程所采用的靶材为质量纯度99.9％的银，溅射功率为120W，氩气气压为1.1Pa，沉积时间为0.5h。

S4)制备石墨烯分散液：将石墨烯混合液用超声波分散3～5h，获得均匀的石墨烯分散液；石墨烯混合液按照质量百分比由以下原料制成：无水乙醇溶液70％、石墨烯粉末20％、表面活性剂8％和硝酸铜溶液2％。

S5)制备石墨烯薄膜层4：使用喷雾枪,以高压空气为载气，氩气作为防氧化的保护气体，将步骤S4中得到的石墨烯分散液均匀地喷涂在铜母线的非搭接面1，最后经过固化处理得到石墨烯薄膜层4。其中喷雾枪采用的高压空气压力为12MPa，惰性气体为气压0.3～0.6MPa氩气。

经检验，该表面改性的铜母线的抗拉强度为336MPa，延伸率为15％，导电率99.1％IACS，导热系数411W/m.K，成品如图1所示。

本发明的实施过程是：在保持铜银合金高导电率的情况下，还能提高表面改性的铜母线的抗拉强度和耐磨性能。本发明提供的表面改性的铜母线，搭接面2和非搭接面1上均覆着有银底层3，提高了铜母线的导电性能，使其导电性、耐压性能、局部放电性能得到提升，提高了产品的综合电气性能；对于非搭接面1，在银底层3的表面上喷涂石墨烯薄膜层4，由于石墨烯具有较高的导热系数，比一般的金属导热系数高出许多，因此能提高铜母线在导电回路的散热性能，提高用电安全性。通过用磁控溅射镀膜技术通过在铜母线表面沉积银底层3，对母材表面进行改性处理，阻止了母材表面致密金属氧化物层的生成，提高了母材表面活性，提高抗腐蚀性能；而且，通过磁控溅射镀膜技术，银底层3沉积质量较高，表面平整，致密，晶粒尺寸均匀。

实施例2

一种表面改性的铜母线的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

S1)制备铜母线；铜母线按照质量分数由以下原料制成：Ag 0.4，B 2％，Ti0.003％，Mn 0.007％，V 0.002％，Sr 0.002％，Co 0.002％，Ni 0.001％，稀土氧化物0.002％，其余为Cu和不可避免的杂质。

a)将原料破碎成粒度小于60mm的粉料，然后按计算的原料配比进行配料并混合均匀,得到混合粉料待用；

b)将混合粉料在250MPa～300MPa下进行压坯，压坯后放入真空炉中进行熔炼，向真空炉中通入氩气，控制温度在950℃～1250℃，熔炼3h，得到熔体；

c)将得到的熔体进行半连续铸造，得到铜母线半连续坯料；

d)在温度为780℃下对铜母线半连续坯料进行均匀化处理，再将铜银合金半连续坯料进行1～2个循环3～6道次的交叉周转轧，得到厚度均匀的铜母线坯；

e)将铜母线坯进入快速模锻机，压制成规定形状的铜母线。

S2)表面处理：对铜母线进行机械抛光,使其表面粗糙度Ra≤0.15μm,再用无水乙醇对铜母线进行超声清洗处理；

S3)制备银底层3：将铜母线放入磁控溅射设备内并抽真空，然后控制磁控溅射镀膜工艺参数在铜母线整体表面沉积一层微米级厚度的银底层3；磁控溅射过程所采用的靶材为质量纯度99.9％的银，溅射功率为100W，氩气气压为1.1Pa，沉积时间为30min。

S4)制备石墨烯分散液：将石墨烯混合液用超声波分散3～5h，获得均匀的石墨烯分散液；石墨烯混合液按照质量百分比由以下原料制成：无水乙醇溶液70％、石墨烯粉末20％、表面活性剂8％和硝酸铜溶液2％。

S5)制备石墨烯薄膜层4：使用喷雾枪,以高压空气为载气，氩气作为防氧化的保护气体，将步骤S4中得到的石墨烯分散液均匀地喷涂在铜母线的非搭接面1，最后经过固化处理得到石墨烯薄膜层4。其中喷雾枪采用的高压空气压力为12MPa，惰性气体为气压0.3～0.6MPa氩气。

经检验，该表面改性的铜母线的抗拉强度为324MPa，延伸率为12％，导电率97.8％IACS，导热系数408W/m.K，成品结构如图1所示。

实施例3

一种表面改性的铜母线的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

S1)制备铜母线；铜母线按照质量分数由以下原料制成：Ag 1％，B 3.5％，Ti0.005％，Mn 0.012％，V 0.004％，Sr 0.03％，Co 0.05％，Ni 0.003％，稀土氧化物0.004％，其余为Cu和不可避免的杂质。

a)将原料破碎成粒度小于60mm的粉料，然后按计算的原料配比进行配料并混合均匀,得到混合粉料待用；

b)将混合粉料在250MPa～300MPa下进行压坯，压坯后放入真空炉中进行熔炼，向真空炉中通入氩气，控制温度在950℃～1250℃，熔炼5h，得到熔体；

c)将得到的熔体进行半连续铸造，得到铜母线半连续坯料；

d)在温度为840℃下对铜母线半连续坯料进行均匀化处理，再将铜银合金半连续坯料进行1～2个循环3～6道次的交叉周转轧，得到厚度均匀的铜母线坯；

e)将铜母线坯进入快速模锻机，压制成规定形状的铜母线。

S2)表面处理：对铜母线进行机械抛光,使其表面粗糙度Ra≤0.15μm,再用无水乙醇对铜母线进行超声清洗处理；

S3)制备银底层3：将铜母线放入磁控溅射设备内并抽真空，然后控制磁控溅射镀膜工艺参数在铜母线整体表面沉积一层微米级厚度的银底层3；磁控溅射过程所采用的靶材为质量纯度99.9％的银，溅射功率为150W，氩气气压为1.1Pa，沉积时间为1h。

S4)制备石墨烯分散液：将石墨烯混合液用超声波分散3～5h，获得均匀的石墨烯分散液；石墨烯混合液按照质量百分比由以下原料制成：无水乙醇溶液70％、石墨烯粉末20％、表面活性剂8％和硝酸铜溶液2％。

S5)制备石墨烯薄膜层4：使用喷雾枪,以高压空气为载气，氩气作为防氧化的保护气体，将步骤S4中得到的石墨烯分散液均匀地喷涂在铜母线的非搭接面1，最后经过固化处理得到石墨烯薄膜层4。其中喷雾枪采用的高压空气压力为12MPa，惰性气体为气压0.3～0.6MPa氩气。

经检验，该表面改性的铜母线的抗拉强度为330MPa，延伸率为13％，导电率98.4％IACS，导热系数406W/m.K，成品结构如图1所示。

试验例

以本发明的实施例1，实施例2和实施例3，设置对照例，以实施例1组分和工艺方法的生产的无改性铜母线，但表面无改性处理，即表面没有附着银底层3和石墨烯薄膜层4。对以上铜母线性能如下表：

表1性能测试结果

由表1可明显看出，本发明各实施例相对于对照例，其导电率和导热系数均优于对照例，本发明制备的表面改性的铜母线具有优良的导电性能和散热性能，能够满足电气性能的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种表面改性的铜母线，具有搭接面和非搭接面，其特征在于，在铜母线的搭接面和非搭接面上通过磁控溅射技术附着有银底层，在非搭接面的银底层上涂覆有石墨烯薄膜层，对其表面改性处理，所述银底层厚度8～12μm，石墨烯薄膜层厚度80～100μm；所述铜母线按照质量分数由以下原料制成：Ag 0.4～1％，B 2～3.5％，Ti 0.003～0.005％，Mn0.007～0.012％，V 0.002～0.004％，Sr 0.002～0.03％，Co 0.002～0.05％，Ni 0.001～0.003％，稀土氧化物0.002～0.004％，其余为Cu和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的表面改性的铜母线，其特征在于：所述铜母线按照质量分数由以下原料制成：Ag 0.5％，B 2.3％，Ti 0.004％，Mn 0.009％，V 0.003％，Sr 0.008％，Co0.02％，Ni 0.002％，稀土氧化物0.003％，其余为Cu和不可避免的杂质。

3.一种基于权利要求1或2所述的表面改性的铜母线的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

S1)制备铜母线；

S2)表面处理：对铜母线进行机械抛光,使其表面粗糙度Ra≤0.15μm,再用无水乙醇对铜母线进行超声清洗处理；

S3)制备银底层：将铜母线放入磁控溅射设备内并抽真空，然后控制磁控溅射镀膜工艺参数在铜母线整体表面沉积一层微米级厚度的银底层；

S4)制备石墨烯分散液：将石墨烯混合液用超声波分散3～5h，获得均匀的石墨烯分散液；

S5)制备石墨烯薄膜层：使用喷雾枪,以高压空气为载气，氩气作为防氧化的保护气体，将步骤S4中得到的石墨烯分散液均匀地喷涂在铜母线的非搭接面，最后经过固化处理得到石墨烯薄膜层。

4.根据权利要求3所述的表面改性的铜母线的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，磁控溅射过程所采用的靶材为质量纯度99.9％的银，溅射功率为100W～150W，氩气气压为1.1Pa，沉积时间为30min～1h。

5.根据权利要求3所述的表面改性的铜母线的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，石墨烯混合液按照质量百分比由以下原料制成：无水乙醇溶液70％、石墨烯粉末20％、表面活性剂8％和硝酸铜溶液2％。

6.根据权利要求3所述的表面改性的铜母线的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，喷雾枪采用的高压空气压力为12MPa，惰性气体为气压0.3～0.6MPa氩气。

7.根据权利要求3所述的表面改性的铜母线的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，铜母线的制备包括以下步骤：

a)将原料破碎成粒度小于60mm的粉料，然后按计算的原料配比进行配料并混合均匀,得到混合粉料待用；

b)将混合粉料在250MPa～300MPa下进行压坯，压坯后放入真空炉中进行熔炼，向真空炉中通入氩气，控制温度在950℃～1250℃，熔炼3h～5h，得到熔体；

c)将得到的熔体进行半连续铸造，得到铜母线半连续坯料；

d)在温度为780℃～840℃下对铜母线半连续坯料进行均匀化处理，再将铜银合金半连续坯料进行1～2个循环3～6道次的交叉周转轧，得到厚度均匀的铜母线坯；

e)将铜母线坯进入快速模锻机，压制成规定形状的铜母线。

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