（凝聚态物理专业论文）银导电陶瓷电接触材料制备与性能研究.pdf

出末大学聩士研究生学位论文 摘要 利用传统的陶瓷制备工艺制成不同系列类金属导电陶瓷，将其与银粉混合制 成银基导电陶瓷复合触点材料。对陶瓷和触点材料基本物化性能进行探讨。 通过向银基体中掺入不同比例导电陶瓷，以及第三相金属或金属氧化物，探 讨其对于触点力学、电学、燃弧及光谱性能的影响规律。 首先利用x 射线衍射谱，分析了导电陶瓷材料相结构，l a f e o 2 5 n i o7 5 0 3 系材 料和l a 2 n i 0 4 系材料均属多相复合陶瓷，通过控制材料配比和烧制工艺可以得到 具有确定相结构比例的陶瓷材料。 复合电接触材料中的导电陶瓷具有独特的网络通道微观结构，熔点高，电阻 率小，为导电性极好的半导体材料，其热容随温度升高相对稳定，且在大功率电 弧烧蚀下相结构不变化可保持化学稳定性，当利用该陶瓷与银复合制成电接触 材料，使复合材料具有低电阻率，好的加工性，高抗烧蚀性及稳定的化学性质。 满足电接触材料应具有的各种要求。 通过对银基掺入不同比例和不同种类的陶瓷制得复合电接触材料，研究电阻 率与陶瓷成分、掺入量的关系，结果显示，当掺入电阻率均为1 旷q c m 的 l a f e 0 2 s n i 们5 0 3 ，l a 2 n i 0 4 两组陶瓷时，复合触点材料电阻率均在小于 2 1 0 uq c m 的范围内，无明显差别，证明导电陶瓷良好的导电性能是复合材 料电阻率稳定的原因之一。导电陶瓷具有独特的微观结构，在微观上显现出层状 结构，在复合材料中陶瓷颗粒分布均匀，这些特点使复合材料在加工过程中具有 了较好的力学性能，使复合材料具有良好的加工性。 为检验陶瓷材料高温电弧烧蚀下的化学稳定性。将l a f e o 2 5 n i o ，5 0 3 系材料和 l a 2 n i 0 4 系材料分别放入石墨电极之间，用大功率电弧烧蚀，之后对烧蚀前后材 料进行x 射线衍射分析，得知烧蚀前后所含相成份比例有所变化，但相种类并 无变化。 为得到合理的工艺参数，对混粉工艺进行了研究，首先将粉料利用行星球磨 法球磨不同时间，在一定温度退火。得知材料的晶粒大小随球磨时间不同有明显 变化，球磨1 5 , - - 2 0 小时复合材料晶粒达到最小值，在一定温度下退火之后材料晶 粒长大。 山东大学礤士研究生学位论文 掺入不同种类和不同数量的陶瓷材料时，银导电陶瓷复合材料的力学性能 有所不同，特别掺入第三相金属或金属氧化物后，复合材料延伸率、抗拉强度等 有显著变化，表现出典型的粉末冶金材料特性。对二组不同系列陶瓷添加的复合 触点材料比较，掺入l a f e o2 5 n b 5 0 3 的材料抗拉强度优于掺入l a 2 n i 0 4 的复合材 料，第三相金属氧化物的加入使材料的抗拉强度增强，但伸长率减小。研究了 复合材料断面微观形貌，在陶瓷与银基体的结合界面有明显的分离现象，且陶瓷 颗粒在材料中分布相对均匀，有大量的韧窝存在。 利用触点寿命模拟实验机在定电流电压条件下，对触点烧蚀及质量转移情 况进行了研究。发现加入的导电陶瓷及金属镍质量比决定了触点烧蚀过程中质量 转移方向。第三相金属氧化物对复合材料抗烧蚀性及抗转移能力没有提高。 电激发时不同材料会产生不同响应，记录在电弧作用下，不同成分触点材料 中原子谱、离子谱强度。强度变化与触点材料烧蚀过程，即大量离子的迁移和侵 蚀带来的质量变化及原予谱线释放能量多少是相互对应、密切相关地。通过对原 子、离子谱的分析研究，可以有效的判断不同成分元素在被激发时的运行机制， 达到间接表征不同添加材料在电弧作用瞬间的不同响应效果之目的。利用单色 仪、存储数字示波器、光电倍增管及触点寿命模拟实验机组成电激发光谱采集系 统，对不同触点材料中原子激发谱及离子激发谱进行记录、分析、探讨。研究电 接触材料烧蚀瞬间材料中原子、离子的激发规律。结果表明，掺入导电陶瓷或氧 化物对银元素燃弧时的初始原子光谱强度有所抑制，且掺入物对于银的离子谱线 强度整体有所抑制，离子谱线豹减弱可作为材料抗电弧侵蚀能力增强的判据之 。掺入c d o 及导电陶瓷的触点材料银原子谱线的强度有所增强，说明原子激 发情况增加，在一定程度上需要吸收更多的能量，减少了转化的焦尔热，而 a s n 0 2 材料中银原子光谱由于s n 0 2 的加入被抑制，这可能与a s n 0 2 材料温 升有一定联系，添加物影响光谱激发具体原因有待于进一步研究。 利用存储数字示波器记录触点燃弧过程中电压变化曲线，研究燃弧时间的变 化。银导电陶瓷材料与银氧化锡、银i 氧化镉材料燃弧时间比较，结果显示在一 千次燃弧以内，银导电陶瓷复合材料燃弧时阊明显小于其他材料，一千次以后 无明显区别。均在3 7 m s 的范围内变化。 关键词：银，导电陶瓷，电接触，燃弧，光谱。 n 由末大学碗士研究生学位论文 a b s t r a c t d i f f e r e n ts e r i e so fm e t a l l o i dc o n d u c t i v ec e r a m i c sw e r ep r e p a r e d t h r o u g h c o n v e n t i o n a lt e c h n i q u eo f c e r a m i cp r e p a r a t i o n ，a n dt h e nm i x e dw i t hs i l v e rp o w d e r st o f o r me l e c t r i c a lc o m p o s i t ec o n t a c tm a t e r i a l s f u n d a m e n t a lp h y s i c a la n dc h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c so f c e r a m i c sa n dt h ea g b a s e dc o n t a c tm a t e r i a l sw e r ed i s c u s s e d m i xc o n d u c t i v ec e r a r n i c sa n dm e t a lo rm e t a l - o x i d ew h i c ha c t sa st h et h i r dp h a s e i n t os i l v e rm a t r i xi nd i f f e r e n tp r o p o r t i o n s ，a n dt h e nd i s c m si t se f f e c to nt h em e c h a n i c s ， e l e c t r i c s ，a r ca n ds p e c t r u mp e r f o r m a n c e so f t h ec o n t a c t s b ym e a n so fx r d ，w es t u d i e dt h ep h a s es t r u c t u r eo fc e r a m i c sa n df o u n dt h a t l a 2 n i 0 4a n dl a f e 0 2 5 n i 07 5 0 3c e r a m i ca r ec o m p o s i t ec e r a m i cm a d eu po fs e v e r a l p h a s e s s ob yc o n t r o l l i n gt h em a t e r i a lr a t i oa n dt h et e c h n i q u eo fs i n t e r i n g ，w ec a r lg e t c e r a m i c sw i t hc o n f i r m e dp r o p o r t i o no f p h a s es 咖c t u r e t h ec o n d u c t i v ec e r a m i ch a sp a r t i c u l a rm i c r o s t r u c t u r eo f n e t w o r kd i s t r i b u t i o na n d s a m d w i c h w i t hh i g hm e l t i n gp o i n ta n dl i t t l er e s i s t i v i t y , i tb e c o m e sak i n do f s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a lw i t hp e r f e c tc o n d u c t i v i t y i t st h e r m a lc a p a c i t yk e p tr e l a t i v e s t a b i l i t yw i t ht h er i s eo ft e m p e r a t u r ea n di t sp h a s es t r u c t u r ew o u l d n tt a k ea n yc h a n g e a f t e rh i g l l 一p o w e ra r cc o r r o s i o nw h i c hp r o v e di t sg o o dc h e m i c a ls t a b i l i t y t h ee l e c t r i c a l c o n t a c tm a t e r i a l sw h i c hw e r em i x e du pw i t ht h i s 姑玎do fc e r a m i c sa n ds i l v e rh a dl o w r e s i s t i v i 吼f i n em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，n i c ec o r r o s i o n - r e s i s t i n gp e r f o r m a n c ea n d o b v i o u sc h e m i c a ls t a b i l i t y a l lt h ea b o v e m e n t i o n e dp e r f o r m a n c e sm a d et h i sk i n do f c o n t a c tm a t e r i a l ss a t i s f ya l lk i n d so f d e m a n d si ne l e c t r i c a lc o n t a c tf i e l d s b ym i x i n gd i f f e r e n tr a t i o sa n dk i n d so fc e r a m i c si n t ot h es i l v e rm a t r i x ，w eg o t t h ee l e c t r i c a lc o m p o s i t ec o n t a c tm a t e r i a l s t h er e s e a r c ho nt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h e c o m p o n e n t so fc e r a m i c s ，d o p e dq u a n t i t ya n dt h er e s i s t i v i t yp r o v e dr e s i s t i v i t i e so ft h e t w oc o m p o s i t ec o n t a c tm a t e r i a l sw e r eb o t hl e s st h a n2 1 0uq c mw h e n l f f e o2 5 n i o7 5 0 3a n dl a 2 n i 0 4w e r er e s p e c t i v e l ya d o p t e dw h o s er e s i s t i v i t i e sw e r eb o t h a b o u t1 0 3o c m a n dt h e r ew a sn oo b v i o u sd i f f e r e n c e w h e nt h ea d o p t e dq u a n t i t y i n c r e a s e dt h er e s i s t i v i t yi n c r e a s e dw i t hi tw h i c hp r o v e dt h ep e r f e c tc o n d u c t i v i v yo ft h e c e r a m i c sw a so n eo f t h er e a s o n sf o rc o n t a c tm a t e r i a l st ok e e pr e s i s t i v i t ys t a b i l i t y t h e c o n d u c t i v ec e r a m i c sh a v e p a r t i c u l a rm i c r o s t r u c t u r e ，n a m e l y , p l i a b l e n e t w o r k d i s t r i b u t i o ns t r u c t u r ea n ds h o ws a m d w i c hf r o mt h em i c r o c o s m i ca s p e c t t o g e t h e rw i t h m 出末大学疆士研究生学位论文 t h eu n i f o r md i s t r i b u t i o no fc e r a m i cg r a i n si nt h ec o m p o s i t em a t e r i a l s ，t h ec o n t a c t m a t e r i a l ss h o wap e r f e c tm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e t ot e s tt h ec h e m i c a l s t a b i l i t yo ft h ec e r a m i c s 、v i 也a r ca b l a t i o ni nh i g h t e m p e r a t u r e ，p u tl a f e 02 5 n i o7 5 0 3a n dl a 2 n i 0 4c e r a m i cr e s p e c t i v e l yb e t w e e nt w o g r a p h i t ee l e c t r o d e sa n da b l a t et h e mw i t hh i g h - p o w e ra r c b ym e a n so fx r da n a l y s i s 0 1 3 t h ec e r a m i c sb e f o r ea n da f t e rc o r r o s i o n ，w eg o tt h a tt h ep h a s ed i d n tt a k ea n y c h a n g e t of i n dal o g i c a lt e c h n o l o g i cp a r a m e t e r , as t u d yo i lt h et e c h n i q u eo fp o w d e r b l e n d sw a st a k e n t h ep o w d e r sw e r eb a l lm i l l e df o rc e r t a i nt i m er e s p e c t i v e l ya n dt h e n a n n e a l e da tc e r t a i nt e m p e r a t u r e s t h eg r a i ns i z ed i f f e r so b v i o u s l y “t l lt h et i m eo f b a l l m i l l i n ga n di tr e a c h e st h es m a l l e s tv a l u ew h e nb a l lm i l l e df o r1 5 - 2 0h o u r s t h eg r a i n s i z e a l s og r o w sw h e na n n e a l e da tc e r t a i nt e m p e r a t u r e w h e nd i f f e r e n tc a t e g o r i e sa n dd i f f e r e n tq u a n t i f i e sc e r a m i c sw e r ea d o p t e d ，t h e m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h ec o m p o s i t em a t e r i a lw o u l dv a r yt os o m ee x t e n t t h e e x t e n s i b i l i t ya n dt e n s i l es t r e n g t hw o u l da p p e a r sv i s i b l ev a r i e t ye s p e c i a l l yw h e nt h e t h i r dp h a s eo fm e t a lo rm e t a l o x i d ew a sa d o p t e dw h i c hs h o w e dd i s t i n c tc h a r a c t e r so f p o w d e rm e t a l l u r g y t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h em a t e r i a l sw h i c hl a f e o2 5 n i 07 5 0 3w a s m i x e di n t ow a sb e t t e rt h a nt h em a t e r i a l sw i t hl a 2 n i 0 4 w h e nt h e 也i r dp h a s eo f m e t a l o x i d ew a sa d o p t e d ，t h et e n s i l es t r e n g t hw o u l di n c r e a s eb u t t h ee x t e n s i b i l i t ya f t e r b r e a k i n gd e c r e a s e d t h r o u g hr e s e a r c ho nt h ec o m p o s i t em a t e r i a l s m i c r o s 乜l l eo f t h ef r a c t u r es u r f a c e ，t h eb i n d i n gb o u n d a r yb e t w e e nt h ec e r a m i c sa n dt h es i l v e rm a t r i x a p p e a r so b v i o u ss e p a r a t i o n t h eg r a i n so fc e r a m i c sd i s t r i b u t e du n i f o r m l yi nt h e c o n t a c tm a t e r i a l sa n dag r e a td e a lo f d u a t i l en e s te x i s t e d s t u d yt h ec o n t a c tp o i n ta r cc o r r o s i o na n dm a s st r a n s f e ri nc e r t a i nd cv o l t a g ea n d c u r r e n t ，t h r o u g hc o n t a c tp o i n tl i f es i m u l a t i o ns y s t e m t h em a s st r a n s f e rd i r e c t i o nc a l l b ec h a n g e dt h r o u g hc h a n g i n gt h em a s sr a t i oo fn ia n dc o n d u c t i v ec e r a m i c s 。t h e m e t a l - o x i d ed e - p i n gi n t os i l v e rm a t r i xt a k e1 1 0c o n t r i b u t et oa n t i a l c o r o s i o na n d a n t i m a s st r a n s f e ra b i l i t y r e s p o n s e so fd i f f e r e n tm a t e r i a l sa r ed i f f e r e n tu n d e re l e c t r i ce x c i t i n g g e ta t o m l i n e sa n di o nl i n e sf o rd i f f e r e n tm a t e r i a l s t h et r a n s f e ra n dc o r r o s i o no fm a n yi o n s m a k eu po fa r cc o r r o s i o n i ti sc o r r e l a t ew i t ht h ei o nl i n e s i n t e n s i t yc l o s e l y t h ea t o m l i n e sc a nr e l e a s es o m ee n e r g yo fe l e c t r i cf i e l d t h r o u g hs p e c t r u ms t u d yc a nk n o w e v e r ye l e m e n t s f u n c t i o ni nc o m p o s i t ec o n t a c tm a t e r i a l s g a t h e rs p e c t r u m sf o r d i f f e r e n tm a t e r i a l sb ye l e c t r i cb l a z i n gs p e c t r o s c o p i cm c a s t m z m e n ts y s t e mw h i c hi s i v 出衷大学硬士研究生学位论交 c o m p o s e do fd i g i t a lo s c i l l o s c o p e ，m o n o c h t o m a t o t , p h o t o m u l t i p l i e ra n dc o n t a c tp o i n t l i f cs i m u l a t i o ns y s t e m b ym e a n so fs t a t i s t i c a la n a l y z i n gm e t h o d , w ef o u n dt h a tt h ea t o ml i n e si n t e n s i t y a r er e s t r a i n e db yd o p i n gc o n d u c t i v ec e r a m i c so rm e t a l - o x i d e ；t h ei o nl i n e si n t e n s i t y a r er e s t r a i n e dt h r o u g ha l lt h eb l a z i n g 。i o nl i n e si n t e n s i t y sr e s t r a i nm a n yb eac r i t e r i o n o fb e t t e ra n t i - c o r r o s i o na b i l i t y n 圯a g a t o ml i n ei n t e n s i t yi ss t r o n g e s ti na g c d o ，i t c a d - t a k ea w a ym o r ee n e r g yi ns o m ee x t e n t , r e d u c i n g j o u l eh e a t o nt h eo t h e rh a n d ，t h e o n ei na g s n 0 2i sl o w e rt h e ni ti np u r ea g ，i tc a nb ear e o no fs e r i o u st e m p e r a t u r e r i s i n g 1 1 1 er e a s o nd o p i n gc a l li n f e c tb l a z i n gs p e c t r u mw i l lb es t u d yi nf u t u r er e s e a r c h t os t u d yt h ea r cb l a z i n gt i m e ，g e tt h ea r c - v o l t a g el i n e sb yd i g i t a lo s c i l l o s c o p e c o m p a r ea g c o n d u c t i v ec e r a m i c s ，a g s n o ：，a g c d oa n da g n i l 0w i t ha 1 7 cb l a z i n g t i m e a g c o n d u c t i v ec e r a m i c si ss h o r t e rt h a no t h e r sw i t h i nlt h o n s a n dt i m e s ，a f t e r t h e nt h e yh a v en oo b v i o u sd i s t i n c t i o na n ym o r e a l lt h e 哪b l a z i n gt i m ei sb e t w e e n 3 m sa n d7 m s ， k e yw o r d s ：s i l v e r , c o n d u c t i v ec e r a m i c s ，e l e c t r i cc o n t a c t ，a r c ，s p e c t r u m v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名：日 期： m 末大学磺士研究生学毽论文 第一章绪论 电接触材料( 或触头材料) 是电流传输与转换过程中最基本的材料之一，只 要用电的地方，都必不可少的用到它，如各类空气开关、继电器、交流接触器等 等。现代社会中各行各业，无论民用、工业、军事、航天、航空、信息等各个领 域均离不开它。它在当今社会生产、生活的全过程中起着无法替代的重要作用。 因此研制、开发、生产高性能、价格比优的电接触材料具有重大意义。 世界上银的产量是有限的，其中2 5 左右是用来制造电工和电子仪器所需 要的触头材料，例如中等电流( 1 0 1 0 0 0 a ) 低压电器的电触头，都是由含银8 0 9 0 ( w t ) 的复合材料制成的。 经过多年的努力，人们研制了a g z n o 、a g s n 0 2 等系列银金属氧化物 ( a g m e o ) 触点材料，但迄今为止。a g c d o 材料依然被认为是综会性能最佳 的首选a g m e o 触点材料；加之其特有的良好的加工性能，可制备铆钉式触点， a g c d o 材料几乎是a g m e o 系触点材料的唯一选择，但是a g c d o 有毒。欧盟 已发布 号指令于2 0 0 6 年全面禁用，我国有关部门也在制定相关政 策限制其使用。a g s n 0 2 触点材料引起世界范围的关注始于七十年代中期，日本 学者在第七届国际电接触学术会议上公开了用合金内氧化法制各a g s n 0 2 触点 材料。此后关于a g s n 0 2 材料的研究工作明显增多，在a g s n 0 2 成分、工艺、材 料物理性能、电器使用性能等方面都取得了积极进展。八十年代，德国d e g u s s a 公司宣称该公司以约十年时间、耗资上千万马克，采用先进的粉末烧结挤压技术 研制成功a g s n 0 2 触点材料，使a # s n 0 2 材料的研究上了一个新台阶，并在一些 开关电器上成功替代了a g c d 0 。 一般认为，a g s n 0 2 材料电性能与a p j c d o 相当，但表现出更优良的抗熔焊 和耐电弧损蚀性能，是最有希望替代a g c d o 的新型无毒触点材料。 但是人们在多年的a g s n 0 2 材料开发应用中总结出其有共性的致命不足： ( 1 ) 与a g c d o 相比， a g s n 0 2 材料较高的接触电阻和温升以及由此导致的较 低的电寿命使其推广应用受到限制捌。目前国内外仍然未得到满意的解决；( 2 ) 由于s n 0 2 的高硬度，使得a g s n 0 2 的成型变得异常困难( 成型工艺包括板材的 挤压、轧制，丝材的挤压、拉拔，铆钉的镦制) 。电气使用性能和加工工艺性能 的不足大大限制了a g s n 0 2 触点材料的应用。因此到目前为止，a p j s n 0 2 替代 a g c d o 的实验工作仍在进行。如何从成分设计、制造方法等方面解决a # s n 0 2 触点材料的上述关键问题一直是国内外触头材料研究中的一个非常重要且急待 解决的问题。 本研究就是在这种背景下提出并展开的，主要开发银，导电陶瓷系列的电接 触材料，并对其工艺及性能参数进行了研究。为此体系的电接触材料的进一步发 展和实际应用提供理论依据。 1 1 电接触材料简介 电接触是指两个导体之间相互接触并通过接触界面实现电流传递或信号传 输的一种物理化学现象。 传递电流或输送信号的两导体称为触头或触点，根据一定的电流方向，可分 为阳极和阴极。在开关电器中，电触头直接承担分断和接通电路并承载正常工作 电流或在一定时间之内承载过载电流的功能。而电接触材料就是制造各种电接触 元器件的材料，现代社会中各个行业，如通讯、电子、计算机、电力等用到的仪 器设备中包含着不计其数的各类电接触器件，许多电器的关键功能都取决于触头 的工作性能和质量，而触头又是存在电接触的电器中最薄弱的一环，一旦触头不 能正常工作将会产生严重的后果。 对于可分离电接触元件而言，闭合状态时，触点承担着承载电流、电能传递 和信号输送的作用，所以必须有低而稳定的接触电阻。这是因为接触电阻产生的 焦耳热效应会导致触点材料发生熔化，而使电触头焊接在一起引起静熔焊现象， 当熔焊力大于触点的机械分断力时引起分断电路失败。电接触材料的接触电阻的 变化机制不但与各种环境应力，材料的氧化、硫化、吸附等作用有关，最主要的 是在分断和接通电路中，触点正负电极之间的产生电弧放电。电弧放电造成的触 头材料侵蚀、转移、材料的相交和高温下发生化学反应。都会使接触电阻变化， 同时改变环境应力等其他参数。 分断或接通电接触形式、条件不同对电接触材料的要求不同，相同电接触形 式在不同环境下、不同电流电压下对材料特性的要求也不同。但概括而言电接触 2 m 束大学碗士研究生学位论文 材料应该具备以下几种性能： 一，电接触材料应该具有合适的硬度和弹性模量。在一定的压力条件下，较 小的硬度可增大接触面积，从而减小接触电阻、降低闭合过程中的动触头的弹跳。 另一方面较高的硬度可提高抗机械磨损能力以及降低熔焊面积：较高的弹性模量 容易使材料达到塑性形变的极限，破坏材料表面氧化膜，从而降低材料的接触电 阻。较低的弹性模量则可在相同力的作用下可增大两触点的接触面积。 二，电性能方面，触点材料应具有小的电阻率以降低接触电阻，低的二次发 射和光发射一降低电弧电流和燃弧时间。 三，触点材料要具有很好的热传导性能，使接触电阻产生的热量迅速的传递 出去避免触点接触面过热。要具有高的比热容、高的熔化和气化潜热，以及合 适的熔点和沸点。同时还要具有低的蒸汽压以限制金属蒸汽的密度，从而降低燃 弧电流，减小燃弧时间。 四t 材料应具有高的化学稳定性，较商的抗腻蚀性能，特别是抗硫化和氧化 性能。 五，触点应具有较好的表面状况，使电弧对触点的侵蚀基本平均，以保证触 点表面基本平整、接触电阻低而稳定。 六，在增大材料的抗电弧侵蚀和减小材料转移能力方面，银和其他材料组分 之间还要具有好的润湿性，熔融状态的银熔池要具有较高的黏性以降低材料因飞 溅引起的损失。 七，高的抗熔焊性，一是要具有低的熔焊倾向，二是熔焊后要有小的熔焊力。 为了增加材料的抗熔焊性通常在材料中加入与银亲和力小的组分。 八，电弧性能，好的触点材料要具有小的起弧电压和起弧电流，这主要与材 料蒸汽的电离电压和材料中原子的结合能有关。 九，触点材料要有尽量好的机械加工性能。 由上述对于触点材料的要求看见，材料必须满足多方面的要求而且有些还是 相互矛盾的，这就要根据生产和应用所侧重的方面，以及应用条件的不同而寻找 最佳结合点。 目前已经存在的电接触材料体系大体可分为三大类： 山末大学硬士研究生学位论文 1 1 i 纯金属材料 一，银( a g ) 银是金属中导电和导热性最好的，而且在空气中不易被氧化， 在潮湿空气中容易被硫化，但银的氧化膜和硫化膜容易分解，所以纯银金属的触 点接触电阻小而且稳定，但纯银材料的最大缺点是熔点低，在电弧作用下易喷溅 从而造成触点材料的烧损，所以只能应用于小功率电触头或作为固定接触的镀层 材料。 二，铜( c u )铜的导电性和导热性仅次于银，而且有较高的硬度、熔点和 沸点，而且价格比银低、易加工；但铜在高温下易形成不导电的氧化膜使电阻率 随时间增长迅速增大，所以目前一般不用纯铜作中低压电器触点。 三，金( a u ) 众所周知，金的化学性能最稳定，不易被氧化，所以接触电 阻稳定，而且导电性、导热性仅次于银和铜，但缺点是硬度小，作为触头材料容 易产生变形、冷焊等现象，而且价格昂贵，所以一般用在弱电触点或作为镀层使 用。 四，铂叶)铂的导电性和导热性比较差，但突出优点是不氧化和硫化， 接触电阻稳定，缺点是价格高，易产生金属桥，在有机蒸汽中还易形成有机膜。 五，钨( w )钨具有很高的熔点、沸点和硬度，有很好的抗腐蚀性，所以 钨作为触点材料耐热、抗烧蚀、耐磨损，但缺点是形成的氧化膜不导电而且难于 破坏，所以一般用在大功率触点中。 1 1 2 金属合金材料 由于纯金属材料作为电接触材料都有不同的缺点，所以人们研究了上述各种 金属与其他金属的舍金和假合金材辩。 一，银合金银台金中，最重要的为银镍合金和银钨合金。由于在高温熔 融状态下银镍两种金属的互溶度急剧增大，冷却后镍重新析出、使镍颗粒均匀分 布于银基体中提高了材料的抗侵蚀性能。银钨合金中钨为难熔物质，其质量比 可占2 0 - 6 0 左右，形成难溶的合金骨架，在电弧烧蚀时起到降低触电材料飞 溅和磨损的作用。除此之外还有银金合金和银钯合金，前者耐腐蚀，而后者有小 的电阻温度系数，电阻率比较稳定，而且钯对银有一定的保护作用。 4 m 束大学碗圭研究生学控论文 二，铜合金 其中铜钯合金具有较高的硬度，而且电阻温度系数小，电阻 率比较稳定。 三金合金金镍合金具有较高的硬度，而且具有很好的抗熔焊和桥转移 能力，提高了纯金触点的抗冷焊能力。 四，铂合金 铂合金主要有铂铱合金和铂钌合金，它们都具有很高的硬度 和枫壤强度，但电阻率比较大。 五，钨合金除了上面讲到的银钨合金之外，钨钢合金也是非常重要的电 接触材料，此材料具有很高的硬度和机械强度，而且电阻温度系数小，但容易被 氧化，所以适用于惰性气体或真空环境。 1 1 3 金属和金属氧化物复合材料 此类材料是被认为最有应用价值的材料之一，通过金属与不同金属氧化物的 混合。可明显提高材料的抗熔焊、抗烧蚀和抗迁移等特性，大大提高了材料的性 能。其中又以银基金属氧化物材料在低压电器领域应用最为广泛，此类材料主要 有以下几种： 一，银氧化镉材料( a g ，c d o ) 此种材料具有很好的抗熔焊性，比较好的抗磨 损性能，而且易于加工。是目前应用最广泛的材料，但其致命缺点是工作过程中 产生有毒的镉蒸汽，对人体有严重危害，所以此种材料在2 0 0 6 年将被禁用。 入们研究过其他多种与c d o 具有类似性质的其他氧化物，将其作为电触点 材料的改性成分。但没有一种氧化物与其相提并论。银氧化镉电接触材料通常含 有1 0 1 5 的c d o ，它在不同电流电压条件下，都具有较好的抗电弧烧蚀能力， 好的耐腐蚀能力。且接触电阻小，一度被称为万能触点。在机理方面，目前观点 认为：在触点中c d o 产生多方面的作用，在阴极斑的熔池中可增加溶化物的粘 性，以减少喷溅；c d o 的分解导致基体上热负荷的下降，同时导致电弧稳定性 以及温度的下降：c d o 的分解产生的大量气体吹散电弧使电弧在触点上漂移， 热能得以更好的分散( 吹除效应) ，还有作者认为最重要的是c d o 具有较高的挥 发性和低电阻值( o 0 1 - - d 5 欧姆厘米) 【3 1 因而在触点表面形成的氧化膜不会造成 大的接触电阻，从而保持了触点热负荷的稳定，延长了触点的寿命 二，银s n 0 2 材料( a s n o ) 它是被认为最有可能替代银氧化镉的材料，此种 t l j 表大学矮士研究生学拉论文 材料具有很好的抗熔焊和电磨损性能，但突出的缺点是具有严重的温升效应，从 而使触点失效，而且此种材料不易加工。 此外还有银氧化锌( a g z n o ) 、银氧化镍( a g s i o ) 、银稀土氧化物( a g r e o ) 材料，但都不及上述两中材料应用广泛。 1 2 银基电接触材料制备方法简介 经过多年的发展，银基电接触材料的制各工艺有了很大的发展，主要有合金 内氧化法、粉末冶金法、共沉淀法、粉末合金预氧化法以及原位反应法等。 一，合金内氧化法在制作a g m e o 材料中得到了广泛的应用，其中，a g c d o 材料和a g z n o 材料通常都是利用此方法制备的。首先制备出银和相应金属以及 第三相添加物的合金锭，经过一定预处理之后，对合金材料进行内氧化，由于 a g 在高温下不易被氧化，所以，充分氧化之后就形成a g 与m e o 组成的非常均 匀的复合材料。内氧化法是一种非常先进而且比较成熟的工艺，但在制备a g s n o 材料方面却具有一定的困难，当a g s n 合金中8 n 含量超过6 w 对，s n 就很难被 充分氧化，从而形成贫氧层。人们通过向合金中添加h 等金属元素来改善对合 金中s n 的氧化。但仍然没有完全解决贫氧区的问题。在此基础上人们又发展了 高压氧化法【3 】，普通内氧化工艺大都在3 m p a 以下，而高压氧化法氧化阶段最低 压力为1 0 m p a ，大大减小了材科内部的贫氧化层。用此方法制得的触点致密性好， 导电率高，抗电弧烧蚀能力强。下图是内氧化法的制备工艺流程： 弓 热轧 蓼 | _ 二，粉末冶金法是制各a g s n o 材料的一个重要方法，也是制各a g s i 、a e j c 、 a g z n o 等金属氧化物材料的重要方法，此方法将粉末混合，压制烧结然后挤压 成线材或板材供进一步制作触点使用。粉末冶金方法制备电接触材料掺入的材料 成分容易控制，制备的材料成分均匀，性能稳定，缺点是材料的致密性不高，氧 6 l；ilil叱 山襄大学硬士研究生学位论文 化物质点粗大，影响了材料的抗烧蚀性和耐腐蚀性能。为了降低氧化物的尺寸， 德国d o d u c o 公司利用“反应喷雾法”来制各s n 0 2 材料，它是将含s n 元素的 水溶液进行热分解来获得s n 0 2 的化学粉末，此外天津大学曾利用溶胶凝胶法制 备s n 0 2 的纳米粉末，通过用纳米尺寸的s n 0 2 与a g 粉混合制各电接触材料，获 得了更高导电率和机械加工性能的a g s n 0 2 材料 4 】。下图是粉末冶金制备工艺流 程 一 三，共沉淀法就是将一种共沉淀剂加入含有所需要的金属离子的盐溶液中， 使几种所需的金属离子同时以沉淀的形式析出，这样就可以得到比较均匀混合的 几种金属盐的混合粉末，然后经过洗涤、焙烧或还原等处理获得分布均匀的金属 混合粉末，然后经过压制、烧结等工艺制备相应的电接触材料。此中方法制备的 材料第二相分布均匀、电性能和抗烧蚀性能良好，缺点是粉末成本太高，所以应 用不广泛。我国材料