Gepostet auf 9/21/2026 von Fudar Official | Aufrufe: 35
Elektrische Kontakte schließen, führen und unterbrechen den Strom in Schaltern, Relais, Schützen und Leistungsschaltern. Kontaktmaterialien auf Silberbasis werden aufgrund ihrer Leitfähigkeit und zuverlässigen Schaltleistung häufig eingesetzt. Ihre hohen Kosten haben jedoch das Interesse an Alternativen auf Kupferbasis verstärkt.
Kupfer weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf und kann kostengünstiger als Silber sein. Freiliegendes Kupfer oxidiert jedoch leicht, während wiederholte Lichtbögen den Materialverlust beschleunigen können. Beide Effekte können den Kontaktwiderstand erhöhen und die elektrische Lebensdauer verkürzen.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, hat Fudar Alloy ein Graphenbeschichtungsverfahren für kupferbasierte elektrische Kontaktmaterialien entwickelt. Das Verfahren ist darauf ausgelegt, die kupferreiche Matrix zu schützen und gleichzeitig ihre Leitfähigkeit zu erhalten.
Herkömmliche kupferbasierte Formulierungen verwenden häufig Verstärkungspartikel oder Legierungszusätze, um die Leistung elektrischer Kontakte zu verbessern. Diese Zusätze schützen jedoch nicht zwangsläufig die Kupfermatrix selbst. Wenn Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren lediglich durch mechanisches Mischen eingebracht werden, können sie ungleichmäßig verteilt sein. Einige Kupferoberflächen können freiliegen, während sich die Kohlenstoff- und Verstärkungspartikel an anderen Stellen zusammenlagern können.
Der Ansatz von Fudar bildet das Graphen direkt auf der Oberfläche des Kupfer- oder Kupferlegierungspulvers, bevor die Konsolidierung erfolgt. Die Beschichtung ist höchstens 10 Nanometer dick und bedeckt 50 bis 100 % der Partikeloberfläche.
Durch die Anordnung der Kohlenstoffphase um die leitfähige Matrix bereits im Pulverstadium soll die Kupferexposition reduziert und eine gleichmäßigere Verteilung der Oxid- und Karbidverstärkungen erreicht werden.
Das Material kombiniert eine graphenbeschichtete, kupferreiche Matrix mit ausgewählten Oxid- und Karbidpulvern. Die Zusammensetzungsbereiche und Beschichtungsparameter sind nachfolgend zusammengefasst.
| Komponente | Angegebener Bereich oder Parameter | Funktion im Material |
| Graphenbeschichtetes Kupfer- oder Kupferlegierungspulver | Rest | Leitfähige Matrix mit Oberflächenschutz auf Partikelebene |
| Oxidpulver | 0.01–10 wt% | Verstärkungsphase |
| Karbidpulver | 0.01–2 wt% | Verstärkungsphase |
| Graphenbeschichtung | Bis zu 10 nm dick; 50–100 % Oberflächenabdeckung | Kohlenstoffschicht im Nanometerbereich auf den Matrixpartikeln |
Die Oxidphase kann eines oder mehrere der folgenden Materialien enthalten: SnO₂, CuO, ZnO, Fe₂O₃ und Seltenerdoxide. Zu den Karbidoptionen gehören WC, VC und B₄C.
Die Matrix kann aus reinem Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einem Kupferanteil von mehr als 95 wt% bestehen. Mögliche Legierungssysteme umfassen CuAl, CuZn, CuNi, CuB, CuTe, Kupfer-Seltenerd-Legierungen und Mehrkomponenten-Kupferlegierungen.
Das Material wird in drei Hauptstufen hergestellt.
1. Beschichtung des kupferreichen Pulvers
Auf der Oberfläche der Kupfer- oder Kupferlegierungspartikel wird durch chemische Gasphasenabscheidung oder Flüssigphasenreduktion von Graphenoxid eine Graphenschicht gebildet.
2. Vorbereitung der Pulvermischung
Das graphenbeschichtete Matrixpulver wird im erforderlichen Verhältnis mit den ausgewählten Oxid- und Karbidpulvern gemischt.
3. Konsolidierung des Materials
Die Mischung wird entweder zu einem Block verdichtet, gesintert und extrudiert oder formgepresst, gesintert und erneut gepresst. Beide nachfolgend dargestellten repräsentativen Formulierungen wurden durch isostatisches Pressen, Sintern und Extrusion hergestellt.
Das Materialdesign zielt auf vier miteinander verbundene Aspekte der Kontaktleistung ab.
Fudar Alloy entwickelte zwei repräsentative Formulierungen, um zu zeigen, wie das Graphenbeschichtungsverfahren sowohl auf eine kupferreiche CuTe-Legierung als auch auf reines Kupfer angewendet werden kann.
| Eigenschaft | CuTe-Formulierung | Kupferformulierung |
| Matrix | Graphenbeschichtete CuTe-Legierung | Graphenbeschichtetes Kupfer |
| Zusammensetzung der Matrix | Cu 99.5 wt%; Rest Te | Reines Kupfer |
| Verstärkungen | 1 wt% WC; 1 wt% SnO₂ | 0.5 wt% B₄C; 0.3 wt% SnO₂ |
| Verfahren zur Graphenbeschichtung | Flüssigphasenreduktion von Graphenoxid | Chemische Gasphasenabscheidung unter Verwendung von Methan |
| Konsolidierungsverfahren | Isostatisches Pressen, Sintern und Extrusion | Isostatisches Pressen, Sintern und Extrusion |
| Dichte | 8.78 g/cm³ | 8.72 g/cm³ |
| Spezifischer Widerstand | 2.18 µΩ·cm | 2.06 µΩ·cm |
| Härte | HV108 | HV93.5 |
Diese Beispiele zeigen, dass beide Graphenbeschichtungswege mit der Pulverkonsolidierung kombiniert werden können. Die angegebenen Daten umfassen jedoch nur Dichte, spezifischen Widerstand und Härte. Ergebnisse zur Schaltung auf Geräteebene sind nicht enthalten. Die Werte belegen daher die Machbarkeit des Materials und des Prozesses, jedoch keine bestätigte Leistung in einem fertigen Kontaktsystem.
Das graphenverstärkte kupferbasierte Material von Fudar ist für Niederspannungs-Leistungsschalter, Schütze und Relais vorgesehen. Die Materialplattform kann entweder reines Kupfer oder eine kupferreiche Legierung mit ausgewählten Oxid- und Karbidverstärkungen verwenden, sodass die Zusammensetzung an unterschiedliche Anwendungsanforderungen angepasst werden kann.
Das Material ist für bestimmte Schaltaufgaben ausgelegt und nicht als direkter Ersatz für jeden silberbasierten Kontakt gedacht. Zusammensetzung und Herstellungsverfahren sollten auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden, und der fertige Kontakt sollte unter den vorgesehenen elektrischen und Betriebsbedingungen validiert werden.
Wenn Sie graphenverstärkte Kupferkontaktmaterialien für Ihre Anwendung besprechen möchten, kontaktieren Sie das Fudar-Alloy-Team.
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