納米CuCr觸頭材料電性能研究.pdf

1、納米材料是當(dāng)前材料科學(xué)研究的前沿，它的潛在優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值受到國(guó)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(kāi)關(guān)上具有較大的應(yīng)用前景。為了探索納米觸頭材料在真空開(kāi)關(guān)中應(yīng)用的可能性，本文以納米CuCr材料為對(duì)象，利用模擬機(jī)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?jǐn)嗄芰Φ确矫鎸?duì)其電性能進(jìn)行了綜合研究。
　　首先本文建立了一種改進(jìn)型的真空觸頭材料分?jǐn)嗄芰碚撆袚?jù)用以指導(dǎo)試

2、驗(yàn)樣品材料的制備。該判據(jù)是在分析陰極熱場(chǎng)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(diǎn)、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?jǐn)嗄芰??；诖伺袚?jù)，通過(guò)調(diào)整燒結(jié)時(shí)間、燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力等工藝參數(shù)對(duì)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(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)了觸頭材料改性。
　　利用真空觸頭材料模擬試驗(yàn)裝置，在直流24V

3、/10A、阻性負(fù)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?jǐn)嗳蓟r(shí)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(dǎo)率、致密度和熔化潛熱較低，飽和蒸汽壓較高，在分?jǐn)噙^(guò)程中材料蒸發(fā)產(chǎn)生的金屬蒸汽量較多，燃弧時(shí)間增加，相應(yīng)地?cái)U(kuò)散到周圍環(huán)境中的金屬粒子增多，導(dǎo)致其電弧侵蝕量高于微晶CuCr50材料。
　　在直流42V/10A

4、、阻性負(fù)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?jǐn)嗳蓟r(shí)間可能沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，即，熔焊發(fā)生具有一定的隨機(jī)性；少數(shù)分?jǐn)嚅L(zhǎng)燃弧不一定能導(dǎo)致觸頭熔焊，但是小范圍內(nèi)的一組分?jǐn)嚅L(zhǎng)燃弧可能立即導(dǎo)致觸頭熔焊。通過(guò)對(duì)觸頭熔焊機(jī)理進(jìn)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(qiáng)度和熔焊面積，與燃弧時(shí)間、電弧侵蝕量

5、沒(méi)有必然聯(lián)系；納米CuCr25陰極觸頭表面電弧燒蝕均勻，陽(yáng)極觸頭表面熔層結(jié)構(gòu)疏松導(dǎo)致表面材料熔焊強(qiáng)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(duì)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(duì)稱配對(duì)時(shí)的耐壓能力劣于微晶CuCr材料，而非對(duì)稱配對(duì)時(shí)的耐壓能力存在“中間效應(yīng)”。指出真空間隙的擊穿主要是由場(chǎng)致發(fā)射導(dǎo)致的陽(yáng)極材料氣化引起的，其擊穿

6、場(chǎng)強(qiáng)由陰極和陽(yáng)極材料共同決定；納米CuCr材料的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、致密度和熔化潛熱均低于微晶材料，因此，由場(chǎng)致發(fā)射所產(chǎn)生的金屬蒸汽量較多，導(dǎo)致其對(duì)稱配對(duì)時(shí)的耐壓能力低于微晶CuCr材料。
　　利用高壓合成試驗(yàn)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?jǐn)嗄芰?，結(jié)果表明：納米CuCr25材料的分?jǐn)嗄芰α佑谖⒕uCr25材料，原因之一可能是納米CuCr25材料的熱導(dǎo)率、致密度和熔化潛熱降低，電阻率增

7、大，在分?jǐn)噙^(guò)程中產(chǎn)生了較多金屬蒸汽，導(dǎo)致介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度變慢，在恢復(fù)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(dǎo)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(dǎo)致分?jǐn)嗍　?br>　　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?jǐn)嗄芰Σ蝗缥⒕uCr材料，其電壽命試驗(yàn)達(dá)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