新型銀基導(dǎo)電陶瓷復(fù)合電接觸材料研究.pdf

1、電接觸是指兩個(gè)導(dǎo)體之間相互接觸并通過(guò)接觸界面實(shí)現(xiàn)電流傳遞或信號(hào)傳輸?shù)囊环N物理、化學(xué)現(xiàn)象。電觸點(diǎn)是開(kāi)關(guān)電器的核心元件，是影響開(kāi)關(guān)電器如各類(lèi)空氣開(kāi)關(guān)、繼電器、交流接觸器等通斷轉(zhuǎn)換能力和可靠性的關(guān)鍵因素，電觸點(diǎn)在使用過(guò)程中處于頻繁的開(kāi)、閉狀態(tài)，因此對(duì)觸點(diǎn)材料電性能和機(jī)械性能要求非常高，其主要性能要求有：導(dǎo)電性好，良好的抗熔焊性，耐電磨損性好，接觸電阻低，長(zhǎng)期通電時(shí)溫升不高。有“萬(wàn)能觸點(diǎn)”之稱(chēng)的Ag/CdO材料，因鎘的毒性限制近年來(lái)已經(jīng)逐漸被A

2、g/SnO<,2>等新型電接觸材料所取代，但是應(yīng)用過(guò)程中由于Ag/SnO<,2>材料較高的接觸電阻和加工成型困難等使其推廣應(yīng)用受到限制。因此研制性能更加優(yōu)越的新型電接觸材料成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。 針對(duì)目前電接觸材料領(lǐng)域的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題及低壓電器對(duì)觸點(diǎn)材料的應(yīng)用要求，本文提出了一種研究觸點(diǎn)材料體系的新思路，制成了銀基導(dǎo)電陶瓷復(fù)合電接觸材料。根據(jù)復(fù)合材料的性能參數(shù)要求，首先將幾種氧化物制成具有良好電性能和獨(dú)特微觀(guān)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電陶瓷化合

3、物，采用陶瓷制造工藝，可以根據(jù)要求不同調(diào)整材料配方，工藝簡(jiǎn)單，適于工業(yè)化生產(chǎn)。導(dǎo)電陶瓷材料與銀復(fù)合而成的新型電接觸材料具有無(wú)毒無(wú)害，電阻率小，靜、動(dòng)態(tài)電性能穩(wěn)定，機(jī)械性能好的特點(diǎn)。另外，導(dǎo)電陶瓷材料成本低，能最大限度的替代貴金屬銀，大大降低了復(fù)合材料的制造成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明銀基導(dǎo)電陶瓷復(fù)合電接觸材料具有優(yōu)良的電性能和力學(xué)性能，完全可能成為Ag/CdO的替代品，同時(shí)它優(yōu)良的機(jī)加工性能對(duì)Ag/SnO<,2>也具有很大的挑戰(zhàn)性。本論文的主要工

4、作和結(jié)果本論文采用固相反應(yīng)法制得LaNi03．6陶瓷(以下簡(jiǎn)稱(chēng)LNO)，通過(guò)B位摻雜制成LaFe<,0.25>Ni<,0.75>O<,3>陶瓷(簡(jiǎn)稱(chēng)LFNO)，通過(guò)A位摻雜制成La<,0.7>Sr<,0.3>MnO<,3>陶瓷(簡(jiǎn)稱(chēng)LSMO)；利用粉末冶金工藝將上述三種陶瓷與銀復(fù)合制成銀基陶瓷復(fù)合電接觸材料。研究了陶瓷種類(lèi)、陶瓷燒結(jié)溫度以及第三相改性添加劑對(duì)復(fù)合電接觸材料電性能和機(jī)械性能的影響規(guī)律。 1、LNO陶瓷及Ag/LNO

5、復(fù)合電接觸材料研究了燒結(jié)工藝對(duì)LNO陶瓷的結(jié)構(gòu)和物理性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三組LNO陶瓷主要物相均為體心四方La<,2>NiO<,4>相和菱形六方NiO相，隨著燒結(jié)溫度的升高陶瓷晶粒變大，La<,2>NiO<,4>相比例呈上升趨勢(shì)。在1400℃燒結(jié)條件下制備的LNO(1400)材料晶粒排列規(guī)則且致密，得到了7.109 g/cm<'3>的最高密度和31.8mΩ-cm的最小電阻率，適合用于復(fù)合觸點(diǎn)材料的研究中。將陶瓷與銀復(fù)合制成Ag/LNO

6、電接觸材料，研究了陶瓷的燒結(jié)條件對(duì)材料電阻率、抗拉強(qiáng)度和觸點(diǎn)工作性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Ag/LNO(1400)材料電阻率為2.10μΩ·cm，抗拉強(qiáng)度最小為171.2 MPa，具有較強(qiáng)的抗熔焊性能。在24V DC 15A條件下的工作性能測(cè)試中，該材料表現(xiàn)出良好的抗轉(zhuǎn)移及抗燒蝕性能，是一種優(yōu)質(zhì)的電接觸材料。 2、LFNO陶瓷及Ag/LFNO復(fù)合電接觸材料以L(fǎng)NO為基，采用Fe對(duì)B位進(jìn)行摻雜，研究了燒結(jié)工藝對(duì)LFNO陶瓷的結(jié)構(gòu)和物理

7、性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)；三組陶瓷均為L(zhǎng)a(Fe<,0.4>Ni<,06>)0<,3>相、NiO相以及La<,2>NiO<,4+6>相組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，產(chǎn)物中三價(jià)Ni離子和二價(jià)Ni離子同時(shí)存在，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)與尖晶石結(jié)構(gòu)并存。隨著燒結(jié)溫度的升高，陶瓷晶粒的尺寸增大。Fe摻雜使材料電阻率顯著降低，對(duì)于LFNO(1450)陶瓷，電阻率最小達(dá)到6.19mΩ-cm，為優(yōu)良的導(dǎo)電陶瓷。將陶瓷與銀復(fù)合形成了Ag/LENO電接觸材料，研究了陶瓷的燒結(jié)條件對(duì)材料

8、電阻率、延伸率和觸點(diǎn)工作性能的影響。對(duì)于Ag/LFNO(1450)：材料，電阻率僅為2.05μΩ·cm，比目前國(guó)際上較先進(jìn)的Ag/CdO和Ag/SnO<,2>材料的電阻率2.1μΩ·cm還低，說(shuō)明此種材料具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。研究還發(fā)現(xiàn)，LFNO(1400)陶瓷電阻率也較小，為20.6mΩ·cm，且其密度值最大，為8.046g/cm<'3>，結(jié)合XRD分析知該陶瓷性能更為穩(wěn)定，適合用于復(fù)合電接觸材料中。Ag/LFNO(1400)材料的延伸

9、率最大，具有較好的加工性能。同時(shí)，用該材料做成的觸點(diǎn)具有優(yōu)良的抗燒蝕性能和抗材料轉(zhuǎn)移性能。 3、銀基導(dǎo)電陶瓷復(fù)合電接觸材料的性能比較將LNO(1400)陶瓷與LFNO(1400)陶瓷與銀復(fù)合制成Ag/LNO(10)和Ag/LFNO(10)電接觸材料(陶瓷摻雜比為10﹪)，通過(guò)對(duì)觸點(diǎn)燃弧時(shí)間、燒蝕前后相結(jié)構(gòu)的變化情況、表面組織形貌以及電弧燒蝕后觸點(diǎn)表面的金相形貌進(jìn)行研究，與目前市場(chǎng)上通用的Ag/CdO(12)、Ag/SnO<,2>

10、(10)材料進(jìn)行性能比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Ag/LNO(10)電阻率為2.096 μΩ·cm，而Ag/LFNO(10)電阻率為2.056 μΩ·cm，使得兩種材料在觸點(diǎn)工作過(guò)程中表現(xiàn)出良好的抗材料轉(zhuǎn)移性能和觸點(diǎn)表面抗燒蝕性能，優(yōu)于市場(chǎng)上通用的Ag/CdO(12)和Ag/SnO<,2>(10)，是性能更加優(yōu)越的電接觸材料。選取Ag/LNO(12)、Ag/LNO(10)、Ag/LFNO(12)、Ag/LFNO(10)四組材料進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)

11、，陶瓷量增多后，延伸率增大，抗拉強(qiáng)度降低，改善了材料的加工性能和抗熔焊性能，但同時(shí)電阻率增大對(duì)材料的電性能產(chǎn)生不利的影響。退火處理后，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度減小，延伸率增大，改善了材料的加工性能，增強(qiáng)了材料的抗熔焊能力。 4、第三相添加劑對(duì)復(fù)合材料性能的影響用Ni和CuO作為改性添加劑，對(duì)復(fù)合電接觸材料進(jìn)行了改性研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加Ni到Ag/LFNO(10)材料中，其工作性能有很大改善，陽(yáng)極及陰極的質(zhì)量變化由+0.333mg，-0

12、.401mg減小到+0.115mg，-0.186mg，表現(xiàn)出良好的抗材料遷移性能。Ni作為改性添加劑減小了材料的抗拉強(qiáng)度，增強(qiáng)了材料的抗熔焊性能，對(duì)燃弧過(guò)程中的材料轉(zhuǎn)移起到很好的抑制作用。24V 3A電流條件下，開(kāi)斷電弧燃弧時(shí)間只有2.07 ms，燃弧較弱，隨著電流增大，燃弧時(shí)間呈增大趨勢(shì)。添加CuO材料性能沒(méi)有得到改善。 對(duì)比測(cè)試了Ag/LNO(8)+Ni(1)、．Ag/LFNO(8)+Ni(1)、Ag/LFNO(8)+Ni(

13、2)和Ag/LFNO(10)+Ni(1)四組觸點(diǎn)材料，Ag/LFNO(8)+Ni(1)和Ag/LFNO(10)+Ni(1)材料的延伸率較大，均為22.5﹪，表現(xiàn)出良好的可加工性：Ag/LFNO(8)+Ni(2)抗拉強(qiáng)度最小，為152.55 MPa，抗熔焊性能最好。對(duì)材料的電接觸性能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)添加Ni以及適量增大陶瓷的添加比能改善小電壓小電流條件下觸點(diǎn)的抗材料轉(zhuǎn)移性能，Ni元素的摻加還能增強(qiáng)復(fù)合材料抗大電壓大電流的能力。 對(duì)A

14、g/LNO(8)+Ni(1)觸點(diǎn)的工作性能進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，24V DC 10A條件下觸點(diǎn)工作性能最好，隨著電路電流的增大，觸點(diǎn)的材料轉(zhuǎn)移和燒蝕量逐漸增大，材料轉(zhuǎn)移和燒蝕嚴(yán)重的情況下燃弧時(shí)間一般較長(zhǎng)。在24V DC 15A工作條件下，觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)移量和燒蝕量隨著操作次數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)。 5、第三相添加劑對(duì)復(fù)合材料浸潤(rùn)性的影響用WO<,3>、MoO3和CuO作為改性材料對(duì)LFNO陶瓷及其復(fù)合電接觸材料的浸潤(rùn)性進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)

15、現(xiàn)，加入WO<,3>時(shí)陶瓷與銀的浸潤(rùn)角為80°，加MoO<,3>浸潤(rùn)角為54°，而添加CuO浸潤(rùn)角只有35°，說(shuō)明CuO的浸潤(rùn)性改善最顯著。浸潤(rùn)性的改善使材料的延伸率和致密度增大，加工性能大大提高，這些是對(duì)材料性能有利的方面，在相關(guān)領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。由于加入改性劑以后材料電阻率增加，抗拉強(qiáng)度增大，使材料在燃弧作用下的抗材料轉(zhuǎn)移性能和抗熔焊性能減弱，觸點(diǎn)材料的電接觸性能分析結(jié)果顯示，添加劑并沒(méi)有使材料的電接觸性能得到改善。 6、L

16、SMO陶瓷及Ag/LSMO復(fù)合電接觸材料以L(fǎng)aMnO<,3>為基，采用Sr對(duì)A位進(jìn)行摻雜，研究了燒結(jié)工藝對(duì)LSMO陶瓷的結(jié)構(gòu)和物理性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LSMO(1350)陶瓷為L(zhǎng)a<,0.65>Sr<,0.35>MnO<,3>和LaMnO<,3>的復(fù)合結(jié)構(gòu)，后兩組樣品的主要成分均為L(zhǎng)a<,0.7>Sr<,0.28>Mn<,0.99>O<,3>，說(shuō)明1350℃燒結(jié)條件下，Sr還沒(méi)有完全摻雜到LaMno<,3>中，當(dāng)溫度繼續(xù)升高到1400