权利要求
1.一种电接触导电元件，其特征在于，所述电接触导电元件包含：
基体;和
形成在所述基体上的导电膏涂层，
其中，所述导电膏涂层包含镓基液态金属和导电润滑剂。
2.根据权利要求1所述的电接触导电元件，其特征在于，在所述导电膏涂层中，所述镓基液态金属的含量为70质量~90质量%，所述导电润滑剂的含量为10质量~30质量%。
5.根据权利要求1或2所述的电接触导电元件，其特征在于，所述导电润滑剂选自石墨、二碲化镍和二硒化铌中的至少一种。
6.根据权利要求1或2所述的电接触导电元件，其特征在于，所述导电润滑剂的粒径为1~200μm。
7.一种权利要求1-6中任一项所述的电接触导电元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备导电膏：将镓基液态金属和导电润滑剂粉末混合，得到导电膏;
(2)涂敷导电膏并压平：将所述步骤(1)所得的所述导电膏涂敷在基体的表面并压平，从而在所述基体的表面上形成一层导电膏涂层;
(3)烧结：将所述步骤(2)所得的涂敷有所述导电膏涂层的所述基体进行烧结，得到所述电接触导电元件。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)在20~40℃的温度下进行。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，在涂敷前，将待涂敷的基体预热，预热温度为40~80℃。
10.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)的烧结温度为60~100℃，烧结的保温时间为5~30min。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于电接触领域，涉及一种电接触导电元件及其制备方法。具体地，本发明涉及一种包含镓基液态金属导电膏涂层的电接触导电元件及其制备方法。
背景技术
[0002]电接触是指在相互接触的导电元件之间传输电流以实现功率或信号的传输，是电力和电子设备中广泛存在的关键环节。电接触部件包括卫星太阳电池阵驱动装置导电滑环、高铁受电弓/接触网、微机电系统开关等。在电路结构和散热情况一定时，材料的电导率和载流面积决定了电接触体系的载流量，电流过大将引起材料过热、电弧烧蚀、磨损加剧并进一步劣化电接触状态，使得用电设备寿命缩短甚至发生电路烧断、供电失效等严重事故。
[0003]为实现开关状态切换和在摩擦界面传输电流，电接触触点无法采用焊接、压接等形式，只能通过将两导电元件相接触并施加一定的压力实现。实际材料表面是由凹凸不平的多个粗糙峰构成的，在较小的接触压力下，界面实际载流面积远小于宏观接触面积，而较大的接触压力又会加剧磨损使得寿命缩短。图1示意了现有技术下电接触界面的电流传输情况。从图1中可以看出，实际载流面积只占宏观接触面积的很小一部分，电流只能在少量接触的粗糙峰间传输，接触界面处有较高的收缩电阻。铜等常规导线材料的体相载流密度可达~1kA/cm2，然而受到实际载流面积的限制，电接触元件体相的载流密度仅能达到~10A/cm2，是体相电流承载力的1%。因此，界面极大制约了电流传输量，实际载流面积极大制约了电接触材料极限载流量的提升。
[0004]传统技术为保证电流的可靠传输，接触部件的截面积远大于传输导线的截面积，同时受到设备空间尺寸的限制，宏观接触面积不可能无限制增大，这限制了电接触体系载流量的提升。此外，电接触界面在力-热-电效应的综合作用下，其微观物理/化学状态发生动态演变，特别是当载流量较大时，界面的力/电性能在运行过程中因粗糙峰的磨损、电弧烧蚀等因素不断劣化，降低了设备长期运行的可靠性。
[0005]现有针对电接触材料的研究工作聚焦于提升材料本身的导电或润滑性能，以牺牲材料耐磨性或导电性为代价换取另一方面性能的提升，对界面电流传输能力的提升效果有限，目前尚无研究从增加界面实际载流面积的角度来优化其性能。
[0006]液态金属目前已作为一种导电介质在柔性电路、导电滑环等器件中得到应用，然而液态金属流动性强且会与铜、银等大部分金属反应，若液态金属因密封组件失效而发生泄露会引起金属构件腐蚀、电路短路等严重问题;此外，液态金属表面张力较大且流动性强，在高速运行时受离心力作用会与电极分离导致动态电阻波动增大;液态金属在温度低于熔点时会发生凝固变为固态导致运动部件焊死;另外液态金属的体相导电性能也不如铜、银、金等金属，以上这些问题极大地限制了液态金属作为导电介质的应用。
发明内容
[0007]发明要解决的问题
本发明的目的在于提供可以解决难以提升电接触导电元件载流摩擦性能问题的电接触导电元件及其制备方法。
[0008]用于解决问题的方案
本发明首次提出了以下设计思想：通过使用具有良好变形和导电性能的材料填充界面粗糙峰间隙来增加电接触导电元件的界面实际载流面积，从而提升界面电流传输能力。具体地，本发明的电接触导电元件表面包含镓基液态金属导电膏，该镓基液态金属导电膏大幅增加了界面实际载流面积，使实际载流面积与宏观接触面积几乎相等，从而显著提升了界面导电性。
[0009]具体地，本发明提供了一种电接触导电元件，该电接触导电元件包含：基体;和形成在基体上的导电膏涂层，其中，导电膏涂层包含镓基液态金属和导电润滑剂。
[0010]根据本发明所述的电接触导电元件，在导电膏涂层中，镓基液态金属的含量为70质量~90质量%，导电润滑剂的含量为10质量~30质量%。
[0011]根据本发明所述的电接触导电元件，用于基体的材料选自无氧铜、铜铬锆、银铜、金镍、铝钴铬铁镍、铌钼坦钨合金中的至少一种。
[0012]根据本发明所述的电接触导电元件，镓基液态金属选自纯镓、镓铟合金、镓铟锡合金和镓铟锡锌合金中的至少一种。
[0013]根据本发明所述的电接触导电元件，导电润滑剂选自石墨、二碲化镍和二硒化铌中的至少一种。
[0014]根据本发明所述的电接触导电元件，导电润滑剂的粒径为1~200μm。
[0015]本发明还提供了一种本发明所述的电接触导电元件的制备方法，其包括以下步骤：
(1)制备导电膏：将镓基液态金属和导电润滑剂粉末混合，得到导电膏;
(2)涂敷导电膏并压平：将步骤(1)所得的导电膏涂敷在基体的表面并压平，从而在基体的表面上形成一层导电膏涂层;
(3)烧结：将步骤(2)所得的涂敷有导电膏涂层的基体进行烧结，得到电接触导电元件。
[0016]根据本发明所述的制备方法，步骤(1)在20~40℃的温度下进行。
[0017]根据本发明所述的制备方法，在步骤(2)中，在涂敷前，将待涂敷的基体预热，预热温度为40~80℃。
[0018]根据本发明所述的制备方法，步骤(3)的烧结温度为60~100℃，烧结的保温时间为5~30min。
[0019]发明的效果
本发明的技术方案具有以下有益效果：
1)与现有技术相比，本发明通过镓基液态金属导电膏实现载流摩擦过程中接触电阻和摩擦系数均值及波动的降低。本发明的电接触导电元件在载流摩擦测试中的接触电阻显著降低，摩擦系数下降，界面实际载流面积增加。
[0020]2)本发明的电接触导电元件在室温大气和低温真空环境下均能表现出良好的载流摩擦性能。
[0021]3)本发明通过将镓基液态金属与导电润滑剂相混合，降低液态金属的流动性及其对基体材料的腐蚀作用，避免了液态金属泄露造成的结构损坏、电路短路等问题。
[0022]4)本发明所述的电接触导电元件的界面电流提升效果显著、制备方法简单、实用性强、通用性强，对提升电接触界面电流传输能力起到重要作用。本发明的电接触导电元件可以提升电接触导电元件的极限载流量，对电推进卫星、空间太阳能电站等大功率装备的研制有重大意义。
附图说明
[0023]图1是现有技术的电接触界面电流传输示意图。
[0024]图2是本发明的电接触导电元件的电接触界面电流传输示意图。
[0025]图3是电接触导电元件-I和比较导电元件-I的摩擦系数曲线对比图。
[0026]图4是电接触导电元件-I和比较导电元件-I的接触电阻曲线对比图。
[0027]图5是电接触导电元件-I在低温真空环境下载流摩擦测试的摩擦系数和接触电阻曲线。
具体实施方式
[0028]以下将详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
[0029]另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、器材和步骤未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
[0030]如无特殊声明，本说明书中所使用的单位均为国际标准单位，并且本发明中出现的数值，数值范围，均应当理解为包含了工业生产中所不可避免的系统性误差。
[0031]本说明书中，使用“可以”表示的含义包括了进行某种处理以及不进行某种处理两方面的含义。
[0032]本说明书中，所提及的“一些具体/优选的实施方案”、“另一些具体/优选的实施方案”、“实施方案”等是指所描述的与该实施方案有关的特定要素(例如，特征、结构、性质和/或特性)包括在此处所述的至少一种实施方案中，并且可存在于其它实施方案中或者可不存在于其它实施方案中。另外，应理解，所述要素可以任何合适的方式组合在各种实施方案中。
[0033]本说明书中，使用“数值A~数值B”表示的数值范围是指包含端点数值A、B的范围。
[0034]本说明书中，“室温”的含义是“20~40℃”。
[0035]电接触导电元件
本发明提供了一种包含基体和镓基液态金属导电膏的电接触导电元件，其中镓基液态金属导电膏包含镓基液态金属和导电润滑剂。在本说明书中，“电接触导电元件”有时简称为“导电元件”，“镓基液态金属导电膏”有时简称为“导电膏”，“镓基液态金属”有时简称为“液态金属”。
[0036]本发明的电接触导电元件使用具有良好变形和导电性能的材料填充界面粗糙峰间隙，大幅增加实际载流面积。具体而言，将镓基液态金属和导电润滑剂相互混合以制备导电膏，将少量导电膏涂敷在基体表面。在载流摩擦过程中，导电膏在力的作用下发生变形填充入粗糙峰间隙以增加界面的实际载流面积。此外，当磨损或振动等原因使得界面处两表面的粗糙峰发生分离，接触电阻增加导致焦耳温升增大时，导电膏发生膨胀以自适应地抑制电接触界面分离，提升界面的电流传输能力。
[0037]图2示意了含有镓基液态金属的导电膏增加实际载流面积、降低接触电阻的作用机制。从图2中可以看出，镓基液态金属导电膏填充在粗糙峰间隙，使得实际载流面积与宏观接触面积几乎相同，大幅提升了界面的电流传输能力。
[0038]由于粗糙峰的尺度较小，高度仅有几十纳米到几百纳米量级，因此仅需极少量的液态金属便可将粗糙峰间隙填满以大幅增加实际载流面积;通过向液态金属中添加导电润滑剂，可以降低液态金属的表面张力和流动性;导电膏中的导电润滑剂可吸附在基体表面，发挥润滑作用的同时降低液态金属对基体的腐蚀作用。因此，与采用大量液态金属作为导电介质的现有技术相比，将“液态金属-导电润滑剂”导电膏涂敷在基体表面，不仅实现了实际载流面积的大幅增加，也避免了液态金属泄露、腐蚀金属、与电极分离、发生凝固等问题。
[0039]以下，将详细说明本发明的电接触导电元件。
[0040]基体
本发明的电接触导电元件包含基体。用于基体的材料没有特别限定，为电接触中通常使用的材料计即可，通常为具有良好导电性能的金属。
[0041]在一些实施方案中，基体材料优选选自无氧铜、铜铬锆、银铜、金镍、铝钴铬铁镍、铌钼坦钨合金中的至少一种，更优选为无氧铜。
[0042]镓基液态金属导电膏
本发明的电接触导电元件包含镓基液态金属导电膏，其中镓基液态金属导电膏包含镓基液态金属和导电润滑剂。
[0043]接触界面由导电润滑剂承受机械载荷，将液态金属与基体分离并降低摩擦，导电膏可填充到承载区的周围作为电流传输通路，实现高导电和低摩擦的电流传输。
[0044]本发明通过增加实际载流面积的思想提升电接触界面的电流传输能力，因此需要将一种变形能力强、导电性能良好的材料填充入粗糙峰间隙。镓基液态金属具有良好的流动性和导电性，通过将其和导电润滑剂混合可以形成导电膏，这种导电膏对金属的腐蚀性小，可以在受焦耳温升的作用下自适应膨胀以抑制粗糙峰分离，且经过烧结后与金属基体之间的结合性良好，可以有效增加界面实际载流面积。
[0045]<镓基液态金属>
液态金属是一类兼具良好流动性和导电性的金属，其中镓基液态金属因化学性质稳定、熔点较低、无生物毒性等特点，已在柔性电子、软体机器人等领域得到了广泛关注。为提升界面电流传输能力，本发明通过镓基液态金属填充粗糙峰间隙以大幅增加实际载流面积，进而提高电接触界面的极限载流量并减小动态接触电阻波动。
[0046]在一些实施方案中，镓基液态金属优选选自纯镓、镓铟合金、镓铟锡合金和镓铟锡锌合金中的至少一种，更优选为纯度>99.99%的纯镓。其中，镓铟合金、镓铟锡合金和镓铟锡锌合金的各合金中，各金属元素之间的比例没有特别限定。
[0047]在一些实施方案中，导电膏中的镓基液态金属的含量为70质量%~90质量%，例如为72质量%、75质量%、77质量%、80质量%、82质量%、85质量%、87质量%。
[0048]<导电润滑剂>
导电润滑剂可以增加导电膏体系的黏度，使得导电膏体系为膏状，导电润滑剂可以降低液态金属的表面张力和流动性，此外导电润滑剂可吸附在基体表面，发挥润滑作用的同时降低液态金属对基体的腐蚀作用。
[0049]在一些实施方案中，导电润滑剂优选选自石墨、二碲化镍和二硒化铌中的至少一种，更优选为石墨。
[0050]在一些实施方案中，导电膏中的导电润滑剂的含量为10质量%~30质量%，例如为13质量%、15质量%、18质量%、20质量%、23质量%、25质量%、28质量%。
[0051]在一些实施方案中，导电润滑剂的粒径优选为1~200μm，例如为50μm、120μm、180μm。
[0052]本发明的电接触导电元件，在与直径8mm的黄铜球在室温大气和低温真空环境下进行载流摩擦测试时，在室温大气中摩擦系数在0.20~0.55之间波动，接触电阻<1mΩ，在低温真空中摩擦系数在0.20~0.50之间波动，接触电阻<8mΩ，表现出很低的接触电阻波动，说明实际载流面积明显增加。
[0053]载流摩擦测试的参数是：运动方式为连续旋转，载荷为1.5N，电流为2A，滑动线速度为10mm/s，室温大气环境的温度为27℃，低温真空环境的温度为-153℃，真空度<1×10-3Pa。
[0054]载流摩擦过程中，即使基体发生磨损，导电膏仍能够填充在磨痕区域的粗糙峰间隙，避免发生电弧烧蚀以及实际载流面积的减小，降低了接触电阻及其波动，减轻了焦耳热温升引起的材料磨损加剧问题，极大提升了电接触界面的性能。
[0055]电接触导电元件的制备方法
本发明还提供了一种电接触导电元件的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)制备导电膏：将镓基液态金属和导电润滑剂粉末混合，得到导电膏;
(2)涂敷导电膏并压平：将步骤(1)所得的导电膏涂敷在基体的表面并压平，从而在基体的表面上形成一层导电膏涂层;
(3)烧结：将步骤(2)所得的涂敷有导电膏涂层的基体进行烧结，得到电接触导电元件。以下对各步骤进行详细说明。
[0056](1)制备导电膏
在该步骤中，将镓基液态金属和导电润滑剂粉末按所需比例通过机械搅拌的方式混合均匀，得到导电膏，从而在保持镓基液态金属较强的变形能力的同时降低液态金属的流动性和对基体的腐蚀性。
[0057]在混合过程中，优选将导电润滑剂粉末多次少量地加入镓基液态金属中，并不断进行机械搅拌，使石墨粉末均匀混合在液态金属中，搅拌过程中随着石墨混入量的增多，混合体系黏度增加，并逐渐从液态转变为膏状，以便制备得到成分均匀的导电膏。
[0058]在一些实施方案中，镓基液态金属优选为纯度>99.99%的纯镓。在这种情况下，由于纯镓的熔点为29.8℃，因此需要先将其加热至熔化以便于和导电润滑剂混合。
[0059]在一些实施方案中，导电润滑剂优选为石墨粉末。
[0060]在一些实施方案中，该步骤的温度为20~40℃，例如为25℃、30℃、35℃，以避免温度过高加速液态金属的氧化。
[0061]通过该步骤制备得到的导电膏在室温下表现出良好的变形能力，且不会自发流动，避免了液态金属泄露导致的问题。
[0062](2)涂敷导电膏并压平
将步骤(1)所得的“液态金属-导电润滑剂”导电膏均匀地涂敷在待涂敷的基体表面，从而在基体表面形成一层均匀的导电膏涂层。在涂敷过程中，优选均匀地施加法向压力，使导电膏在挤压作用下在基体表面铺展，少量液态金属从导电膏中挤出并与基体材料相结合，从而在基体表面形成一层可在外力作用下发生变形的导电膏涂层。
[0063]将所得的涂敷有导电膏涂层的基体反复多次挤压，以将基体表面多余的导电膏去除，仅留下少量与基体结合紧密的导电膏涂层，并使得涂敷有导电膏涂层的基体表面平整，即，使得涂敷有导电膏涂层的基体表面在宏观上无凹凸不平。
[0064]在一些实施方案中，优选将待涂敷的基体预热，预热温度为40~80℃，例如为50℃、60℃、70℃。
[0065](3)烧结
将步骤(2)所得的涂敷有导电膏涂层的基体进行烧结，以增强导电膏和基体之间的结合力，使得导电膏涂层更加平整，与基体的结合更加紧密，最终得到电接触导电元件。
[0066]在一些实施方案中，优选在涂敷有导电膏涂层的基体上放置有重物的情况下进行烧结。
[0067]在一些实施方案中，烧结的烧结温度优选为60~100℃，例如为65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃，烧结的保温时间优选为5~30min，例如为10min、15min、20min、25min。
[0068]本发明所述的制备方法利用镓基液态金属导电膏变形能力强且有一定润滑能力的特点，通过涂敷后烧结的方法使其填充到电接触导电元件表面的粗糙峰间隙。在对通过本发明制备的电接触导电元件进行载流摩擦测试以评估电接触界面的性能时，在接触和摩擦过程中，导电膏在接触和剪切力的作用下发生变形，填充入界面粗糙峰间隙，使得实际载流面积与宏观接触面积几乎相同。此外，导电膏中的导电润滑剂吸附在基体表面，起到承载和将液态金属与基体相互隔离的作用，改善了液态金属与基体之间的反应造成的液态金属损失和基体力学强度降低的问题。
实施例
[0069]下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。实施例中未详细说明的测试方法均为本领域的常规测试方法。
[0070]实施例1
[0071]此处，镓基液态金属为纯度>99.99%的纯镓;导电润滑剂为石墨，其粒径为120μm，纯度>99.9%;基体材料为无氧铜样块，直径30mm。
[0072]根据以下方法制备实施例1的电接触导电元件-I。在制备过程中所使用的设备是本领域技术人员公知的那些。
[0073](1)首先称取1.5g石墨粉末，将其中少量的石墨粉末加入塑料罐中并将其铺展在容器壁面，以减少后续加入的液态金属与器壁的直接接触，避免器壁表面残留液态金属所导致的混合不均。将纯镓加热至熔化后，使用移液枪将1ml纯镓加入塑料罐中，对上述混合体系进行不断的机械搅拌，避免液态纯镓重新凝固。在搅拌过程中多次少量地将称取的石墨粉末加入到混合体系中，使得石墨粉末均匀分散在纯镓内部，搅拌时将混合体系的温度控制在20~40℃，以避免温度过高加速纯镓的氧化，充分搅拌后制备得到“纯镓-石墨”导电膏。
[0074](2)将无氧铜样块放置在40℃的加热台上进行预热，用刀片取少量的导电膏并将其涂敷在无氧铜样块表面，通过载玻片手动向无氧铜样块表面的导电膏施加压力，使其在无氧铜样块表面铺展成一层均匀的导电膏涂层。向导电膏施加压力时，导电膏内部的镓被少量挤出并与下方的无氧铜结合，增加了导电膏涂层与基体之间的结合力。
[0075]去除涂敷过程中被挤出无氧铜样块边缘的多余导电膏，直到无氧铜样块表面仅剩余少量与其结合紧密且宏观平整的导电膏涂层。
[0076](3)在表面涂敷有导电膏涂层的无氧铜样块表面放置重物，并将加热台温度升高至100℃保温15min进行烧结，然后自然冷却，以增强导电膏涂层与基体的结合性，最终得到电接触导电元件，将其记为电接触导电元件-I。
[0077]在电接触导电元件-I中，其中的导电膏涂层即使在如70℃等导电元件使用过程中涉及的高于液态金属熔点的温度下也不表现出流动性，避免了液态金属的泄露问题，同时保持了良好的变形和导电能力，能够在粗糙峰间隙中提供大量额外的实际载流面积。
[0078]比较例1
将表面没有涂敷导电膏涂层的无氧铜样块作为比较导电元件，记为比较导电元件-I。
[0079]载流摩擦测试
采用直径8mm的黄铜(牌号H62)球作为对磨副，对电接触导电元件-I和比较导电元件-I进行载流摩擦测试以评估电接触界面的性能。分别在室温大气和低温真空环境中进行测试，以验证本发明所提方法的通用性。测试条件为：运动方式为连续旋转，载荷为1.5N，电流为2A，滑动线速度为10mm/s，室温大气环境的温度为27℃，气压为101kPa，低温真空环境的温度为-153℃，气压<1×10-3Pa。测试过程中实时记录电接触体系摩擦系数和接触电阻的变化。
[0080]根据电接触导电元件-I和比较导电元件-I的测试结果，说明导电膏对界面电流传输能力的提升效果。图3和图4分别对比了电接触导电元件-I和比较导电元件-I的摩擦系数和接触电阻在载流摩擦过程中的变化情况，本发明所述的电接触导电元件的摩擦系数和接触电阻的平均值和波动幅度均明显降低，这说明导电膏中的导电润滑剂发挥了润滑作用，且导电膏能够有效填充粗糙峰间隙，降低接触电阻及其波动。
[0081]为进一步说明本发明的通用性，另外在低温真空环境下对电接触导电元件-I的电接触性能进行了测试，结果如图5所示。测试结果说明，即使在-153℃这一远低于镓基液态金属熔点的温度下，电接触体系仍然能够有效运行且具有较低的接触电阻，说明在接触界面局部焦耳热的作用下，导电膏保持了良好的变形能力，起到了增加实际载流面积的作用。
[0082]需要说明的是，尽管以具体实例介绍了本发明的技术方案，但本领域技术人员能够理解，本发明应不限于此。
[0083]以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
说明书附图(5)
