納米CuCr觸頭材料電性能研究.pdf

1、納米材料是當前材料科學研究的前沿，它的潛在優(yōu)勢和應用價值受到國內(nèi)外研究者的密切關(guān)注。目前納米CuCr材料表現(xiàn)出較低的截流水平和較高的耐壓能力，在真空開關(guān)上具有較大的應用前景。為了探索納米觸頭材料在真空開關(guān)中應用的可能性，本文以納米CuCr材料為對象，利用模擬機和真空滅弧室，從截流水平、耐壓能力、抗電弧侵蝕能力、抗熔焊性能和分斷能力等方面對其電性能進行了綜合研究。
　　首先本文建立了一種改進型的真空觸頭材料分斷能力理論判據(jù)用以指導試

2、驗樣品材料的制備。該判據(jù)是在分析陰極熱場致發(fā)射電流密度與材料熱、電參數(shù)之間關(guān)系的基礎(chǔ)上建立的，判據(jù)指出：減小觸頭材料的電阻率和游離電位，增大比熱、沸點、密度、熔化潛熱和汽化潛熱等參數(shù)，有助于提高觸頭材料的分斷能力。基于此判據(jù)，通過調(diào)整燒結(jié)時間、燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力等工藝參數(shù)對真空熱壓燒結(jié)和放電等離子體燒結(jié)方法制備的CuCr材料的電阻率、比熱、密度等參數(shù)進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)了觸頭材料改性。
　　利用真空觸頭材料模擬試驗裝置，在直流24V

3、/10A、阻性負載下研究了放電等離子體燒結(jié)的納米CuCr50材料的抗電弧侵蝕特性，結(jié)果表明：納米CuCr50材料的分斷燃弧時間高于微晶CuCr50材料，電弧侵蝕量大于微晶CuCr50材料，其主要原因是納米CuCr50觸頭材料的熱導率、致密度和熔化潛熱較低，飽和蒸汽壓較高，在分斷過程中材料蒸發(fā)產(chǎn)生的金屬蒸汽量較多，燃弧時間增加，相應地擴散到周圍環(huán)境中的金屬粒子增多，導致其電弧侵蝕量高于微晶CuCr50材料。
　　在直流42V/10A

4、、阻性負載下研究了熱壓燒結(jié)納米CuCr25材料的抗熔焊性能，結(jié)果表明：納米CuCr25材料的抗熔焊能力高于微晶CuCr25材料；熔焊發(fā)生之前納米CuCr25材料的分斷燃弧時間可能沒有明顯的變化規(guī)律，即，熔焊發(fā)生具有一定的隨機性；少數(shù)分斷長燃弧不一定能導致觸頭熔焊，但是小范圍內(nèi)的一組分斷長燃弧可能立即導致觸頭熔焊。通過對觸頭熔焊機理進行深入分析，指出影響觸頭材料抗熔焊性能的主要因素是觸頭表面材料的熔焊強度和熔焊面積，與燃弧時間、電弧侵蝕量

5、沒有必然聯(lián)系；納米CuCr25陰極觸頭表面電弧燒蝕均勻，陽極觸頭表面熔層結(jié)構(gòu)疏松導致表面材料熔焊強度降低，是其抗熔焊性能優(yōu)于微晶CuCr25材料的主要原因。
　　采用金屬W和微晶CuCr材料作對比，研究了熱壓燒結(jié)和放電等離子體燒結(jié)納米CuCr材料的耐壓能力，結(jié)果表明：納米CuCr材料對稱配對時的耐壓能力劣于微晶CuCr材料，而非對稱配對時的耐壓能力存在“中間效應”。指出真空間隙的擊穿主要是由場致發(fā)射導致的陽極材料氣化引起的，其擊穿

6、場強由陰極和陽極材料共同決定；納米CuCr材料的電導率、熱導率、致密度和熔化潛熱均低于微晶材料，因此，由場致發(fā)射所產(chǎn)生的金屬蒸汽量較多，導致其對稱配對時的耐壓能力低于微晶CuCr材料。
　　利用高壓合成試驗回路，研究了放電等離子體燒結(jié)工藝和真空熱壓燒結(jié)工藝制備的納米CuCr25材料的分斷能力，結(jié)果表明：納米CuCr25材料的分斷能力劣于微晶CuCr25材料，原因之一可能是納米CuCr25材料的熱導率、致密度和熔化潛熱降低，電阻率增

7、大，在分斷過程中產(chǎn)生了較多金屬蒸汽，導致介質(zhì)強度恢復速度變慢，在恢復電壓作用下引起電弧重燃；原因之二可能是納米CuCr25材料的硬度較高，脆性較大且導熱性能較差，在大電流燒蝕下，由于熱-力分布不均勻而產(chǎn)生了裂紋，使電弧在裂紋區(qū)發(fā)生集聚，導致分斷失敗。
　　根據(jù)本文研究結(jié)果，真空熱壓燒結(jié)和放電等離子體燒結(jié)納米CuCr材料的大電流分斷能力不如微晶CuCr材料，其電壽命試驗達不到工業(yè)要求，可能是納米CuCr材料制備工藝不成熟所引起的，納