AgCuOIn2O3电触头材料的组织与性能研究

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由于具有优良的导电导热性、低的接触电阻、较高的硬度和强度、良好的抗熔焊和耐电弧侵蚀等特性,银金属氧化物电触头材料成为电接触领域中应用最为广泛的材料之一,具有不可替代的地位。因为Cd存在环境污染的问题,所以传统的AgCdO万能触点材料被新型环保触头材料所替代是必然趋势。氧化铜(CuO)作为触头材料中的新型环保增强相,具有高的热稳定性且与银基体的界面润湿性较好,其性能可以增加电接触过程中触头表面熔池内液态金属的表面张力和粘度,从而限制触头表面熔池的形成,增强触头材料的抗电弧侵蚀性能。此外,氧化铜(CuO)还具有原材料丰富且价格低廉等特点,这进一步推动了AgCuO电触头材料的研究应用,但是单一的CuO增强相依然无法很好地改善电触头材料的综合性能。研究表明CuO含量为10%的AgCuO电触头材料性能最优,又有研究表明在AgSnO2电触头材料中加入铟(In)可以定性的改善AgSnO2电触头材料的电接触性能。为此,本论文采用反应合成法来制备AgCuO(10)In2O3(x)(x=1,2,3,3.5)电触头材料,对其反应过程进行热力学理论计算与分析,对力学性能、物理性能、电接触性能等进行测试,旨在综合CuO和In2O3两者的优点来探究In2O3的含量与AgCuO(10)电触头材料电接触性能之间存在的定量关系,同时获得成熟可行的加工工艺路线。理论计算方面,通过对AgCuO(10)In2O3(x)(x=1,2,3,3.5)触头材料进行热力学和氧分压的计算,发现纯金属Cu和In在氧化过程中的吉布斯自由能均小于零,表明Cu和In的氧化过程可以自发进行;氧分压的计算结果发现,Cu和In在反应过程中的氧分压均小于大气压中的氧分压,说明在反应过程中不会存在氧化物的分解反应。对触头材料的显微硬度、抗拉强度和断后延伸率进行测试。测试结果表明,随着In2O3含量的升高,AgCuO(10)In2O3(x)(x=1,2,3,3.5)电触头材料的断后延伸率逐渐降低,显微硬度和抗拉强度均增大,并且抗拉强度明显高于AgCuO(10)电触头材料。对冷拉拔制备试样的电阻率的测试结果表明,随着In2O3含量的升高,电触头材料的电阻率逐渐增大,这是由于金属氧化物的导电性一般都比较差造成的。对电触头材料的抗熔焊性、接触电阻和材料转移特性进行测试。测试结果表明,In2O3的含量确实可以改善AgCuO电触头材料的电接触性能,但并不是含量越多越好,当In2O3的含量为2%时,AgCuOIn2O3触头材料的电接触性能最优。对接触电阻的研究表明,由于氧化物的含量升高,导致AgCuO(10)In2O3电触头材料的接触电阻大于AgCuO电触头材料的接触电阻,但其抗熔焊性能整体优于AgCuO(10)电触头材料的抗熔焊性能。测试电压由12V升高到18V时,AgCuO(10)In2O3和AgCuO电触头材料的抗熔焊性能均变差,说明二者均更加适用于低压电接触领域;电压为18V时,AgCuO(10)In2O3(x)(x=1,2,3,3.5)电触头材料的抗熔焊性能比AgCuO(10)电触头材料稳定。对材料转移特性的研究表明,在电压为12V和18V时,动、静触头之间的材料转移方向是从静触头转移到动触头。此外,材料转移主要以熔桥方式进行,材料的损耗量随In2O3含量的增多而降低,阴/阳极触头表面的侵蚀形貌呈凸凹状。对AgCuOIn2O3电触头材料的电弧侵蚀形貌进行扫描,并与AgCuO(10)电触头材料的电弧侵蚀形貌进行对比。结果表明,In2O3的加入使得AgCuOIn2O3电触头材料的总质量损耗大于AgCuO(10)电触头材料,这是由于在电接触过程中AgCuOIn2O3触头材料表面形成较大熔池造成的,同时,较大的熔池可以减小在电接触过程中触头之间的熔焊力。
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