銀-導(dǎo)電陶瓷復(fù)合電接觸材料電弧損耗特性的光譜研究.pdf

1、電觸點(diǎn)作為電子器件的核心部件在生產(chǎn)和生活中應(yīng)用非常廣泛，而觸點(diǎn)材料是制約觸點(diǎn)性能的主要因素，世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家都十分重視電接觸材料的開發(fā)應(yīng)用。在低壓電器領(lǐng)域，研究和使用較多的Ag/CdO材料具有優(yōu)良滅弧性能，但其致命缺點(diǎn)是產(chǎn)生有毒鎘蒸氣，歐盟已明確規(guī)定禁止有害物質(zhì)鎘在電子信息產(chǎn)品中使用。這就給電接觸材料研發(fā)提出了新的挑戰(zhàn)，發(fā)展一種類似或超越Ag/CdO性能的新型無毒觸點(diǎn)材料具有重要的科學(xué)和工程意義。在取代Ag/CdO的觸點(diǎn)材料研究中，Ag

2、/SnO2因綜合性能好得到了大力發(fā)展，但Ag/SnO2材料的極大弱點(diǎn)是：溫升現(xiàn)象嚴(yán)重，塑性和延展性差導(dǎo)致加工性能差，國內(nèi)外雖然對(duì)此進(jìn)行了工藝改進(jìn)，但都沒有得到滿意的解決方法。到目前為止，Ag/SnO2替代Ag/CdO的工作仍未得到有效解決，國內(nèi)外的研究人員一直在探索研制其它的新型電接觸材料。 為解決上述電接觸材料領(lǐng)域存在的問題，我們課題組開展了新型電接觸材料的研究工作，把銀與具有類金屬導(dǎo)電特性的陶瓷化合物進(jìn)行復(fù)合，獲得了新型優(yōu)質(zhì)

3、電接觸材料。主要發(fā)展制成了Ag/La2NiO4和Ag/LaFe1-xNixO3兩系列復(fù)合導(dǎo)電陶瓷材料，其中陶瓷材料的添加量為8％-12％，這種復(fù)合觸點(diǎn)材料具有良好加工性、抗燒蝕性以及穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。從根本上解決過去單一或混合氧化物材料與銀復(fù)合制成的觸點(diǎn)材料所不能解決的機(jī)械加工性差的問題。以陶瓷化合物為添加劑的方法突破了該領(lǐng)域一直沿用的以單一或混合氧化物為添加劑的瓶頸，為電接觸材料研究提供了新的途徑，拓寬了電接觸材料的研究領(lǐng)域，為得到綜合

4、性能更佳的新型電接觸材料提供了一種新思路。 有關(guān)觸點(diǎn)材料的性能測量與評(píng)估是觸點(diǎn)材料研究中的另一個(gè)重要且極需解決的問題。在這方面開展研究是本論文的重要內(nèi)容之一。電弧是有觸點(diǎn)開關(guān)電器動(dòng)作過程中必然發(fā)生的物理現(xiàn)象，是觸點(diǎn)燒蝕、退化的最主要原因。利用這種電弧現(xiàn)象，可以很好地探測電弧燃燒和熄滅過程，從而了解觸點(diǎn)的工作狀態(tài)和工作質(zhì)量。所以這是觸點(diǎn)材料中的重要研究內(nèi)容之一。本論文對(duì)觸點(diǎn)電弧的燃燒和維持機(jī)制展開了系統(tǒng)的研究，測定和分析了電弧等離

5、子體特性，掌握其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探討了復(fù)合材料的電弧損耗機(jī)制。電弧燒蝕機(jī)制非常復(fù)雜，涵蓋了很多方面的研究內(nèi)容，綜合比較多種等離子體診斷技術(shù)，非侵入式的等離子體光譜診斷最為適合。因此作者運(yùn)用光譜分析方法對(duì)電弧等離子體特性進(jìn)行了診斷，綜合考評(píng)了我們所研究的兩類復(fù)合電接觸材料。結(jié)果表明，把傳統(tǒng)的材料測試方法和光譜診斷方法相結(jié)合，可以全面正確地表征電觸點(diǎn)材料的綜合性能，也證明我們采用的這種新方法是先進(jìn)有效的。本論文對(duì)以Ag為基的幾種新型導(dǎo)電陶瓷復(fù)合觸

6、點(diǎn)材料進(jìn)行了系統(tǒng)的工藝和性能研究。結(jié)果表明，我們所研究的Ag/La2NiO4和Ag/LaFe1-xNixO3兩系列復(fù)合材料屬優(yōu)越的新型導(dǎo)電陶瓷復(fù)合觸點(diǎn)材料，它們具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性，有優(yōu)良的可加工性，并獲得了優(yōu)良的抗電弧燒蝕性能。這種性能優(yōu)越的銀基導(dǎo)電陶瓷復(fù)合材料完全可能成為Ag/CdO的替代品，同時(shí)它優(yōu)良的機(jī)械加工性能對(duì)Ag/SnO2也具有很大的挑戰(zhàn)性，與此同時(shí)這類材料還具有無毒、符合環(huán)保要求和使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)。本論文在如

7、下五個(gè)方面取得了創(chuàng)新性的結(jié)果。 1.新型銀基導(dǎo)電陶瓷復(fù)合電接觸材料開發(fā)把Ag與電阻率為mΩ·cm量級(jí)的導(dǎo)電陶瓷材料復(fù)合，研究了Ag/La2NiO4和Ag/LaFe1-xNixO3兩系列新型銀基導(dǎo)電陶瓷復(fù)合觸點(diǎn)材料。這兩類復(fù)合材料的電阻率均在2.1μΩ·cm附近，其比熱容具有優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性，電弧燒蝕實(shí)驗(yàn)表明，材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。復(fù)合觸點(diǎn)材料變形量可達(dá)22％以上，拉斷力超過150N，表現(xiàn)出良好的可加工性能；微觀形貌中可看到陶

8、瓷顆粒與銀基體結(jié)合緊密，且陶瓷具有層狀斷面，有利于提高復(fù)合材料的加工性能。這些性能表明，這兩類復(fù)合材料完全可能成為Ag/CdO的替代品，同時(shí)它優(yōu)良的機(jī)械加工性能對(duì)Ag/SnO2也具有很大的挑戰(zhàn)性。Ag/LaFe0.25Ni0.7503和Ag/La2NiO4是銀基導(dǎo)電陶瓷復(fù)合觸點(diǎn)材料中性能較優(yōu)的兩個(gè)材料系列。 2.時(shí)間分辨光電光譜檢測觸點(diǎn)電弧燒蝕機(jī)制為獲取觸點(diǎn)材料的時(shí)間分辨光電光譜，設(shè)計(jì)了一種光譜測量系統(tǒng)。用該系統(tǒng)可以探討燃弧銀原

9、子和銀離子的運(yùn)動(dòng)變化，根據(jù)不同材料譜強(qiáng)變化，可推測材料燒蝕實(shí)際狀況。用該系統(tǒng)，測量了Ag/La2NiO4和Ag/LaFe1-xNixO3兩系列的時(shí)間分辨光電光譜，并與其它常見觸點(diǎn)材料測試結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明，我們研究的這兩類復(fù)合材料具有優(yōu)良的抗電弧燒蝕性能。同時(shí)證明，該光譜測量系統(tǒng)是分析觸點(diǎn)材料抗電弧燒蝕的可行手段。這對(duì)新材料的設(shè)計(jì)有著積極的指導(dǎo)意義。 3.實(shí)際工作狀態(tài)下觸點(diǎn)電弧行為的測量研究采用觸點(diǎn)壽命機(jī)，模擬觸點(diǎn)的實(shí)際工作

10、狀態(tài)，研究了所制備的兩類復(fù)合觸點(diǎn)材料的觸點(diǎn)電弧行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這兩類復(fù)合觸點(diǎn)的平均燃弧時(shí)間在4ms-4.3ms，燃弧時(shí)間比常見的觸點(diǎn)材料都短，短的燃弧時(shí)間可以改善材料的抗電弧侵蝕性能，減少觸點(diǎn)材料的燒蝕量和轉(zhuǎn)移量，從而延長了觸點(diǎn)材料的使用壽命。金屬氧化物的電弧侵蝕機(jī)理主要有兩種，一種是氧化物的分解與升華，這個(gè)過程要消耗大量的能量，從而降低侵蝕。第二種是增強(qiáng)觸點(diǎn)表面熔池的表面張力和粘性。在燃弧過程中，金屬氧化物會(huì)以微粒形式懸浮在表面，增加

11、了表面張力、提高了金屬粘性、增加了銀對(duì)觸頭的潤濕性，有助于降低基體銀的噴濺損耗。所以，觸點(diǎn)壽命分析表明，金屬氧化物的添加可以明顯改善電接觸材料的動(dòng)態(tài)電弧特性。 4.掃描多波長光譜診斷電弧等離子體設(shè)計(jì)裝配了CCD多通道光譜儀，把等離子體光譜診斷法用到觸點(diǎn)材料的性能研究中，為觸點(diǎn)材料成分設(shè)計(jì)和性能比較提供了一種有效的監(jiān)控檢測手段。對(duì)不同化學(xué)計(jì)量配比的Ag/La2NiO4和Ag/LaFe0.25Ni0.75O3復(fù)合陶瓷材料，用光譜儀對(duì)

12、電弧等離子體進(jìn)行了系統(tǒng)的光譜分析。發(fā)現(xiàn)在銀基導(dǎo)電陶瓷復(fù)合電接觸材料中適量增加第三相金屬Ni的含量，有利于提高材料抗電弧侵蝕性能；適量提高復(fù)合電接觸材料中導(dǎo)電陶瓷摻加量，有助于增強(qiáng)材料抗電弧侵蝕能力；同樣添加量情況下，摻加La2NiO4比摻加LaFe0.25Ni0.75O3所得的陶瓷復(fù)合材料性能更優(yōu)。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光譜儀對(duì)于觸點(diǎn)材料的研制和使用具有非常大的指導(dǎo)意義。 5.譜線的曲線擬合與等離子體參量的測定根據(jù)兩線法及斜率法分

13、別測定了電弧等離子體的電子溫度，并用曲線擬合的方法分析了譜線展寬的變化和產(chǎn)生機(jī)制。結(jié)果表明：斯塔克展寬是Ag/LaFe0.25Ni0.75O3觸點(diǎn)電弧的Ag I546.5nm譜線產(chǎn)生加寬的主要原因；用洛倫茲擬合得到了譜線的半高全寬度、積分強(qiáng)度以及中心波長等參量，這些擬合參數(shù)可以用來推導(dǎo)等離子體的相關(guān)特征參量；譜線展寬隨輸入能量的增加而近似線性增大，也說明等離子體中的電子密度隨著能量的增加而增大。利用兩線法和斜率法分別測定了24V30A電