高性能銅基電接觸復(fù)合材料的研制及強(qiáng)化機(jī)理研究.pdf

1、在開關(guān)電器中，電接觸材料直接承擔(dān)著分段和接通電路、承載正常工作電流或在一定時(shí)間內(nèi)承載過載電流的功能。各種電器的關(guān)鍵功能如配電電器的通斷能力、繼電器的可靠性等都取決于電接觸材料質(zhì)量和工作性能的優(yōu)劣。
　　 目前低壓電器中應(yīng)用最廣泛的是銀基電接觸復(fù)合材料，但銀價(jià)格昂貴，成本較高。銅具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，但銅的硬度和熔點(diǎn)較低，電蝕和熔焊傾向較嚴(yán)重，且銅表面極易形成氧化膜，嚴(yán)重影響材料的導(dǎo)電性能。因此本論文嘗試采用粉末冶金法，通過添

2、加不同組元，制備一種新型的低壓電器用銅基電接觸復(fù)合材料，用以提高銅基電接觸材料的力學(xué)性能、抗氧化性、抗電弧侵蝕和抗熔焊性能，替代銀基材料達(dá)到降低成本、節(jié)約貴金屬銀的目的。
　　 論文首先探討了添加相物理性能和組織結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料電接觸性能之間的關(guān)系，并優(yōu)化了材料成分設(shè)計(jì)原則。研究發(fā)現(xiàn)在材料組元性能要求方面低熔點(diǎn)組元的熔點(diǎn)越低，蒸發(fā)和汽化潛熱越大，越有利于材料的抗熔焊性能；高硬度、高熔點(diǎn)組元應(yīng)盡量選擇材料本身比熱、熔點(diǎn)、熔化潛熱、沸

3、點(diǎn)、汽化潛熱、升華溫度等物理特性較高的添加相，利于材料保持穩(wěn)定狀態(tài)；在不影響材料綜合性能的前提下，添加相體積分?jǐn)?shù)越大、粒徑越小、形貌越復(fù)雜，粘度越大，金屬與添加相粒子間的結(jié)合力越大、潤(rùn)濕性越好，復(fù)合材料粘度越大，越有利于提高材料的電接觸性能。
　　 論文根據(jù)低熔點(diǎn)組元對(duì)物理性質(zhì)的要求，分別選擇了Sn、Bi、Sb、Zn等幾種低熔點(diǎn)組元，并探討了其對(duì)復(fù)合材料綜合性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明添加2wt％的Bi能夠有效提高材料的抗電弧侵蝕性

4、能和抗氧化性，且材料的導(dǎo)電性能滿足電接觸材料的要求。論文對(duì)添加Bi的銅基電接觸材料熔焊區(qū)域的熱傳導(dǎo)進(jìn)行了有限元仿真模擬，研究發(fā)現(xiàn)材料中添加Bi后，熔焊區(qū)域的溫度更容易向外傳導(dǎo)，從而緩解高溫區(qū)域的高溫壓力。論文最終確定低熔點(diǎn)組元添加相為Bi，最佳加入量為2wt％。
　　 論文選擇Fe3Al、TiAl作為硬質(zhì)添加相，探討了不同組元對(duì)銅基電接觸材料力學(xué)性能、導(dǎo)電性能和抗熔焊性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明添加適量的Fe3Al，其在基體中的均勻

5、分布能夠通過彌散強(qiáng)化作用有效提高材料的力學(xué)性能；同時(shí)Fe3Al在工作升溫過程中，Al能夠優(yōu)先氧化在基體中形成一層致密的Al2O3，從而阻礙氧原子在基體的進(jìn)一步擴(kuò)散，提高材料的抗氧化性；Fe3Al本身具有良好的導(dǎo)電性能，其在增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能和抗氧化性的同時(shí)，較好的保證了材料的導(dǎo)電性能，論文建立了Fe3Al加入量與材料抗氧化性和導(dǎo)電性能的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并最終確定高硬度、高熔點(diǎn)組元的最佳添加相為Fe3Al，最佳加入量為2wt％。
　　

6、 論文嘗試在銅基復(fù)合材料中添加納米碳管作為增強(qiáng)相用以提高材料的綜合性能。納米碳管作為增強(qiáng)相需要解決兩個(gè)問題：一是與基體結(jié)合性能較差的問題，二是納米碳管的團(tuán)聚問題。研究首先通過納米碳管表面鍍膜工藝，將納米碳管-銅界面結(jié)合改善為金屬-金屬界面結(jié)合，有效增強(qiáng)了納米碳管與銅基體的結(jié)合性能，并通過高能球磨工藝改善納米碳管在基體的團(tuán)聚現(xiàn)象。論文以正交試驗(yàn)為手段，討論了納米碳管加入量和表面處理時(shí)間對(duì)銅基電接觸復(fù)合材料導(dǎo)電性能、力學(xué)性能和抗熔焊性能的

7、影響，最終確定納米碳管最佳加入量為0.1wt％、最佳高能球磨時(shí)間為8h、最佳表面處理時(shí)間為1h。
　　 研究發(fā)現(xiàn)通過表面鍍鎳和高能球磨工藝，納米碳管添加量為0.1wt％時(shí)，其能夠在基體中均勻分布并與基體有效結(jié)合，提高材料的力學(xué)性能和耐摩擦磨損性能。但當(dāng)其添加量過高時(shí)，在基體中出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，此時(shí)自由電子散射增加，材料電阻率上升，材料致密度下降。論文對(duì)納米碳管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的影響機(jī)理進(jìn)行了深入分析，并建立了數(shù)學(xué)模型σ1，=σf(1

8、-lc/2l)Vf+σ(1-Vf)，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)納米碳管的長(zhǎng)徑比lc/d大于60時(shí)可以起到強(qiáng)化基體的作用，且納米碳管的失效主要以韌性斷裂為主。在材料添加適量的納米碳管還有利于提高材料的抗電弧侵蝕性能，論文對(duì)摻雜納米碳管的銅基電接觸材料熔焊區(qū)域進(jìn)行了有限元模擬分析，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米碳管的引入使得熱量更易由碳管引入的通道向外傳遞，從而改善材料的抗電弧侵蝕性能。
　　 銅基電接觸材料不能得到實(shí)際應(yīng)用的最大障礙是銅表面的易氧化問題，相關(guān)

9、研究發(fā)現(xiàn)銅中添加稀土元素能夠起到凈化晶界、細(xì)化晶粒和提高抗氧化性的作用。論文嘗試以La-Cu中間合金和La2O3兩種不同的形式在銅中添加稀土La，并探討其對(duì)材料綜合性能尤其是抗氧化性的影響。論文首先制備了La不同含量的La-Cu中間合金粉體，并對(duì)其進(jìn)行了形貌表征和成分分析。研究發(fā)現(xiàn)La含量為0.4wt％的La-Cu中間合金顆粒均勻，雜質(zhì)較少，且La主要以La2O3的形式均勻分布在銅基體表面。研究決定選擇La為0.4wt％的La-Cu中間

10、合金作為添加相。
　　 論文深入探討了不同含量的La-Cu中間合金和La2O3對(duì)材料綜合性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)添加適量的稀土-銅中間合金和La2O3能夠有效提高材料的力學(xué)性能和抗電弧侵蝕性能，加入量過高時(shí)，材料的導(dǎo)電性能有所下降。試驗(yàn)深入探討了稀土不同添加相對(duì)材料抗氧化性的影響，研究發(fā)現(xiàn)在600℃以下La-Cu中間合金的適量加入對(duì)銅基復(fù)合材料的氧化抑制作用最為明顯，在800℃高溫氧化狀態(tài)下，La2O3對(duì)銅基復(fù)合材料的氧化抑制作用更

11、優(yōu)。論文深入分析了La2O3提高銅基電接觸材料的抗氧化機(jī)理，并建立了添加La2O3第二相粒子的銅基復(fù)合材料表面平均擴(kuò)散的表達(dá)式為：()，通過計(jì)算獲得擴(kuò)散通量與氧化溫度和氧化時(shí)間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)La2O3以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和物理性能，在復(fù)合材料氧化初期能夠促使材料基體在其表面生成一層致密的氧化膜，從而有效抑制了銅基材料表面氧化的進(jìn)一步惡化。
　　 論文探討了放電等離子燒結(jié)工藝對(duì)材料性能的影響，并對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行了分析。論文首先探討了放

12、電等離子燒結(jié)工藝參數(shù)：初始?jí)毫?、保壓壓力和燒結(jié)溫度對(duì)材料性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)初始?jí)毫υ降停牧系闹旅芏群蛯?dǎo)電性能越高，并確定SPS工藝最佳初始?jí)毫?MPa；保壓壓力與材料的致密度和導(dǎo)電率成正比關(guān)系，最佳保壓壓力為50MPa；試樣的致密度和導(dǎo)電性能隨著燒結(jié)溫度的增加出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，其主要原因是過高的燒結(jié)溫度導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大，孔隙增多，從而影響材料的綜合性能，研究確定SPS工藝最佳燒結(jié)溫度為500℃。
　　 實(shí)驗(yàn)在確定放電等離