新型銀基導(dǎo)電陶瓷復(fù)合電接觸材料研究.pdf

1、電接觸是指兩個導(dǎo)體之間相互接觸并通過接觸界面實現(xiàn)電流傳遞或信號傳輸?shù)囊环N物理、化學(xué)現(xiàn)象。電觸點是開關(guān)電器的核心元件，是影響開關(guān)電器如各類空氣開關(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，電觸點在使用過程中處于頻繁的開、閉狀態(tài)，因此對觸點材料電性能和機械性能要求非常高，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，長期通電時溫升不高。有“萬能觸點”之稱的Ag/CdO材料，因鎘的毒性限制近年來已經(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)域的熱點課題。 針對目前電接觸材料領(lǐng)域的現(xiàn)狀和存在的問題及低壓電器對觸點材料的應(yīng)用要求，本文提出了一種研究觸點材料體系的新思路，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特微觀結(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毒無害，電阻率小，靜、動態(tài)電性能穩(wěn)定，機械性能好的特點。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。實驗結(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，同時它優(yōu)良的機加工性能對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(以下簡稱LNO)，通過B位摻雜制成LaFe<,0.25>Ni<,0.75>O<,3>陶瓷(簡稱LFNO)，通過A位摻雜制成La<,0.7>Sr<,0.3>MnO<,3>陶瓷(簡稱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、陶瓷燒結(jié)溫度以及第三相改性添加劑對復(fù)合電接觸材料電性能和機械性能的影響規(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。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)條件對材料電阻率、抗拉強度和觸點工作性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Ag/LNO(1400)材料電阻率為2.10μΩ·cm，抗拉強度最小為171.2 MPa，具有較強的抗熔焊性能。在24V DC 15A條件下的工作性能測試中，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LNO為基，采用Fe對B位進行摻雜，研究了燒結(jié)工藝對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La(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Ni離子和二價Ni離子同時存在，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，對于LFNO(1450)陶瓷，電阻率最小達到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)條件對材料

8、電阻率、延伸率和觸點工作性能的影響。對于Ag/LFNO(1450)：材料，電阻率僅為2.05μΩ·cm，比目前國際上較先進的Ag/CdO和Ag/SnO<,2>材料的電阻率2.1μΩ·cm還低，說明此種材料具有較強的競爭優(yōu)勢。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，用該材料做成的觸點具有優(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﹪)，通過對觸點燃弧時間、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表面的金相形貌進行研究，與目前市場上通用的Ag/CdO(12)、Ag/SnO<,2>

10、(10)材料進行性能比較。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工作過程中表現(xiàn)出良好的抗材料轉(zhuǎn)移性能和觸點表面抗燒蝕性能，優(yōu)于市場上通用的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)四組材料進行對比實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)

11、，陶瓷量增多后，延伸率增大，抗拉強度降低，改善了材料的加工性能和抗熔焊性能，但同時電阻率增大對材料的電性能產(chǎn)生不利的影響。退火處理后，復(fù)合材料的抗拉強度減小，延伸率增大，改善了材料的加工性能，增強了材料的抗熔焊能力。 4、第三相添加劑對復(fù)合材料性能的影響用Ni和CuO作為改性添加劑，對復(fù)合電接觸材料進行了改性研究，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度，增強了材料的抗熔焊性能，對燃弧過程中的材料轉(zhuǎn)移起到很好的抑制作用。24V 3A電流條件下，開斷電弧燃弧時間只有2.07 ms，燃弧較弱，隨著電流增大，燃弧時間呈增大趨勢。添加CuO材料性能沒有得到改善。 對比測試了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)抗拉強度最小，為152.55 MPa，抗熔焊性能最好。對材料的電接觸性能進行測試，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的抗材料轉(zhuǎn)移性能，Ni元素的摻加還能增強復(fù)合材料抗大電壓大電流的能力。 對A

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

15、現(xiàn)，加入WO<,3>時陶瓷與銀的浸潤角為80°，加MoO<,3>浸潤角為54°，而添加CuO浸潤角只有35°，說明CuO的浸潤性改善最顯著。浸潤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，觸點材料的電接觸性能分析結(jié)果顯示，添加劑并沒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LaMnO<,3>為基，采用Sr對A位進行摻雜，研究了燒結(jié)工藝對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La<,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La<,0.7>Sr<,0.28>Mn<,0.99>O<,3>，說明1350℃燒結(jié)條件下，Sr還沒有完全摻雜到LaMno<,3>中，當溫度繼續(xù)升高到1400