（材料科学与工程专业论文）al2o3cu复合材料耐电击穿性能的研究.pdf

摘要 论文题目：a 1 2 0 d c u 复合材料耐电击穿性能的研究 学科专业：材料科学与工程 研究生：杨平 指导教师：梁淑华教授 摘要 本研究以a 1 2 0 3 c u 复合材料为研究对象，采用外加氧化铝颗粒方式制备a 1 2 0 3 c u 复 合材料。探讨了氧化物第二相粒子的尺寸、数量和分布对电弧运动特性的作用，揭示了显 微组织对a 1 2 0 3 c u 复合材料耐电弧烧蚀的影响机理。经过对比研究了显微组织与材料性 能的关系，进一步研究了材料在真空高电压中的电击穿现象，明确了阴极斑点运动特征和 组织性能之间的关系，并对影响耐电压强度及截流值等电学性能的重要因素进行了分析。 通过研究可得到以下结论： 灿2 0 3 粒子越小，材料的硬度越大，而电导率略有下降。粒子含量越高，材料的硬度 陡升而电导率陡降。随着粒子的分布均匀性的提高材料的硬度和电导率都一定的提高。随 着球磨时间的提高，材料的均匀性有所改善，但时间过长，纳米级粒子又会出现团聚和分 布不均匀的现象。 随着灿2 0 3 粒径的减小，材料的耐电压强度明显增大，电弧寿命延长，截流值减小； 随着粒子含量的增大，耐电压强度先升有降，而电弧寿命先延长后缩短，截流值一直减小； 随着粒子分布均匀性的提高，材料的耐电压击穿性能得到改善。 从烧蚀的表现来看，材料的烧蚀程度是和粒子的大小、浓度和分布均匀性有很大关系。 在一定浓度范围内，粒子越小，分布越均匀，烧蚀程度越轻，烧蚀面积增大，蚀坑明显变 浅；但含量过高，粒子间距过小，会引起集中烧蚀，烧蚀面积较小且蚀坑较深。 根据电弧产生机理和运动行为的理论，认为电弧的能量、运动方式和表面微区熔体的 性质是影响烧蚀的主要因素。当电弧可以在多个微区同时产生时，电弧可以快速运动，从 中心向外铺展。如果各“优先击穿微区 间距过大，电弧会滞留，过小会汇聚成单根高能 量的电弧，从而产生集中烧蚀。从表面熔体性质的角度来看，增大熔体粘度可以在一定程 度上减轻烧蚀程度。 关键词：a 1 2 0 3 c u 复合材料；显微组织；真空电击穿；电弧烧蚀 a b s t r a c t t i t l e ：i n v e s t i g a t i o no ne l e c t r i c a lb r e a k d o w np r o p e r t i e s o fa i z 0 3 c uc o m p o s i t e s p e c i a l i t y ：m a t e r i a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：p i n gy a n g s u p e r v i s o r ：p r o f s h u h u al i a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： v 一 s i g n a t u r e ： i nt h i si n v e s t i g a t i o n , a 1 2 0 a c uc o m p o s i t em a t e r i a lw a sp r e p a r e db ya 1 2 0 3p a r t i c l ea d d f i o n n ee f f e c to ft h es i z e ，m a s sf r a c t i o na n dd i s t r i b u t i o no ft h es e c o n d a r yp a r t i c l eo nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fa r em o v e m e n tw a sd i s c u s s e d ，a n dt h ee f f e c to fm i c r o s t r u c t u r eo nt h ea r c e r o s i o no fa 1 2 0 3 c uc o m p o s i t em a t e r i a lw a sd i s c l o s e d 田忙r e l a t i o nb e t w e e nm i c r o s t r u c t u r ea n d m a t e r i a lp r o p e r t i e sw f l k qs t u d i e d , a n dt h eb r e a k d o w np r o c e s sw a si n v e s t i g a t e di nt h ev u u l i l l i 曲v o l t a g e 嬲w e l l mr e l a t i o n s h i pb e t w e 吼t h et h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i s so fc a t h o d e s p o t sa n dm i c r o s t m c t u r ew a su n d e r s t o o d ，a n dt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tb r e a k d o w na n dc h o p p i n g c u r r e n tw e r ea n a l y z e d 硼1 ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a l lb ed r a w nf r o mt h ei n v e s t i g a t i o n ： n 坞s m a l l e ra 1 2 0 3p a r t i c l e si n c r e a s et h eh a r d n e s so ft h e 础2 0 3 c uc o m p o s i t em a t e r i a la n d d e c r e a s e st h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ys l i g h t l y 乃el a r g e rm a s sf r a c t i o no fa 1 2 0 3i n c r e a s e st h e h a r d n e s s s h a r p l ya n d d e c r e a s e st h ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t ys h a r p l y 功em o r eu n i f o r m d i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e sc a ni m p r o v et h eh a r d n e s sa n dt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y 耶u n i f o r m i t y o ft h ea 1 2 0 3 c uc o m p o s i t em a t e r i a li n c r e a s e sw i t l li n c r e a s i n gt h em i l l i n gt i m e h o w e v e r , l o n g e r t i m er e s u l t si na g g r e g a t i o na n dn o n - u n i f o r m i t yo ft h en a m o - p o w d e r s t 1 1 es m a l l e ra 1 2 0 3 p a r t i c l ei n c r e a s e st h eb r e a k d o w no ft h ea 1 2 0 3 c uc o m p o s i t em a t e r i a l s i g n i f i c a n t l y , p r o l o n gt h ea r cl i f ea n dd e c r e a s e st h ec h o p p i n gc u r r e n t w i t l li n c r e a s i n gt h em a s s f r a c t i o no fa 1 2 0 3 ，t h eb r e a k d o w nv o l t a g ei n c r e a s e s ，t h e nd e c r e a s e s ；t h ea r cl i f ei n c r e a s e s ，t h e n d e c r e a s e s ；a n dc h o p p i n gc u r r e n td e c r e a s e s n l em o r eu n i f o r md i s t r i b u t i o no fa 1 2 0 3p a r t i c l ei s h e l p f u lt oi n c r e a s et h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ev a c u u mb r e a k d o w n t h ee r o s i o no ft h ea 1 2 0 3 c uc o m p o s i t em a t e r i a lm a i n l yd e p e n d so nt h ep a r t i c l es i z e ，m a s s f r a c t i o na n du n i f o r m i t y w i t h i nac e n t a i nr a n g eo fa 1 2 0 3m a s sf r a c t i o n ，t h es m a l l e rp a r i c l ea n d m o r eu n i f c l r n ld i s t r i b u t i o na l l e v i a t et h ea r ce r o s i o n ，i n c r e a s et h ee r o d i n ga r e a ，a n dd e c r e a s e st h e e r o s i o np i t ss i g n i f i c a n t l y h o w e v e r , t h ee x c e s s i v ea 1 2 0 3a d d i t i o nw i l lc a u s et h es m a l l e rp a r t i c l e i i i 西安理工大学硕士学位论文 s p a c i n g ，t h u sr e s u l t si nt h ec o n c e n t r a t e de r o s i o na n ds m a l l e re r o d i n ga r e aa n dd e e p e re r o s i o n p i t s f r o mt h et h e o r yo fa r cg e n e r a t i o nm e c h a n i s ma n dt h ea r cm o v e m e n tb e h a v i o r , t h ea l e e n e r g y , a r cm o v e m e n tm o d e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o l t e nl o c a t i o no nt h es u r f a c eo ft h e c o n t a c tm a t e r i a la r et h em a i nf a c t o r st oa f f e c te r o s i o n w h e na r ci sg e n e r a t e ds i m u l t a n e o u s l yo n m a n yl o c a t i o n s ，i tc a nm o v er a p i d l ya n de x p a n df r o m c e n t e rt ot h ee d g e t h et o ol a r g es p a c i n g a m o n gt h ep r e f e r e db r e a k d o w nm i n i - a r e aw i l lc a u s et h es t a g n a t i o no fa r c h o w e v e r ，t h et o o s m a l ls p a c i n gw i l lf o r mas i n g l ea r cw i t hh i g he n e r g y , t h u sc a u s e st h ec o n c e n 仃a t i o ne r o s i o n t h ei n c r e a s eo fm o l t e nv i s c o s i t ym a ya l l e v i a t ea r ce r o s i o no ns o m ed e g r e e k e yw o r d s ：a 1 2 0 3 c uc o m p o s i t em a t e d a l ) m i c r o s t r u c t u r e ；v a c u u me l e c t r i c a lb r e a k d o w n ；a r e e r o s i o n i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 学位论文使用授权声明 。3 年孑月? 多日 本人彻彳在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， j 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索：2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 一：蝉名：型牟瑚年日 论文作者签名：茎堑绎：导师签名：鬟之拯垒2 年7 月日 l 前言 1 前言 1 1 选题背景及意义 电触头材料是开关电器中的关键材料，开关电器的主要性能以及寿命的长短，在很大 程度上决定于触头材料的好坏。为适应电网市场发展的要求，真空开关正在向大容量、低 过电压、小型化和智能化方向发展，所以触头材料的性能改进和提高将成为真空开关发展 的一个关键因素。 1 1 1 触头材料的耐电击穿性能的研究现状 触头在实际使用过程中的情况非常复杂，除了机械力和摩擦作用外，还有焦耳热、 电弧的灼烧，以及因电流极性而产生的材料转移等，这些都会对材料产生影响；并且对不 同的材料来说，影响也不尽相同2 习。 用作真空开关的触头材料，由于其不同于常规材料的特殊性能要求，使得对其服役 过程、失效形式和性能指标等研究均已超出材料学一般概念范畴。就目前已获得大范围应 用的诸多系列合金材料来说，并不能完全满足所有性能指标。这涉及到电弧过程与电接触、 热过程等基础试验理论和方法的突破，以改变当前依靠研发人员的经验和大量试验对材料 的筛选。 完全凭借开发人员的经验，采用大量破坏性型式试验筛选的方法来研制新型触头材 料，往往会造成材料成本偏高和研制周期过长等缺点。借助理论方法辅以少量的试验是近 年来国际上研制新型触头材料的发展方向。由于目前对触头材料的服役过程及相应的物理 现象缺乏有效深入的了解，没有有效的物理模型提供给材料没计者加以借鉴。加之能准确 反映复合材料的基本性能数据十分缺乏，故而表现在当前有关触头材料的研究史献中电接 触性能指标较少，也是制约触头材料发展的关键因素之一t 4 , 5 , 6 1 采用合金化，添加少量的目的性元素，用以改善触头材料某一方面的电性能或力学性 能，可收到一定成效。但这些元素的添加势必造成物理性能要求之间的矛盾，往往出现此 消彼长的交叉作用。加入w 、t a 、m o 、n b 等高熔点金属能提高耐压强度，但却降低了 开断能力，同时也给截流性能带来不利影响；低熔点b i 、s b 、s e 、t e 、z n 、l i 0 2 的加人， 能降低截流值，但同时严重损害了材料的耐电压性能。f e 的加入可同时提高耐电压与截 流性但使材料的导电率和导热率损失过大g s l 。 兴起于8 0 年代的纳米技术已取得众多成就，随着科技进步的日益加快和对纳米技术 广泛而又深入的研究，纳米技术得到了迅速发展和广泛应用。纳米技术在材料领域通过纳 米粒子以及各种超微细的结构模块，导致产生出许多新的具有优异性能和新的应用可能的 纳米复合材料。纳米材料由于组成晶粒超细，大量原子位于晶界上，因而在机械性能、物 理性能和化学性能等方面都优于普通的粗晶材料 1 。近几年这一技术在电触头材料的研究 和制备过程中已有了初步的应用，并取得了良好的效果。当应用纳米技术使电触头材料晶 西安理工大学硕士学位论文 粒超细化后，将会导致材料的蒸气压、电导率、热导率、强度及硬度等许多性质发生明显 变化，并随之引起材料微观组织的进一步均匀化及电性能的改善。 研究者发现触头材料中某一组元的细化或整体材料显微组织的细化，可以显著地提高 耐电压强度，降低截流水平。r i e d e rw f 在关于c r 粉含量以及粒度对c u c r 触头的耐压、 截流值等性能的影响研究中发现，采用粒度 _ 6 0 0 m p a ，电导率芝8 0 认c s ，8 0 0 下长期使用，强度 仅降低1 5 1 。正是由于其优异的高温强度和高传导性而成为电接触材料，如各种开关 的触头、电阻焊电极等的首选材料，而这类材料工作环境的共同特点是都要承受电弧的高 温烧蚀，烧蚀是电接触材料的主要失效方式。 近几年来材料研究者对a 1 2 0 # c u 复合材料的制备方法和组织性能进行了详尽的研 究，但对a 1 2 0 # c u 电接触材料显微组织与电弧烧蚀行为之间关系的研究未见报道。 所以，本研究以a 1 2 0 9 c u 复合材料为研究对象，采用外加氧化铝颗粒制备a 1 2 0 d c u 复合材料，探讨氧化铝粒子的尺寸、数量和分布对电弧运动特性的作用，揭示显微组织对 a 1 2 0 9 c u 复合材料耐电弧烧蚀的影响机理。力求通过材料组织的细化实现分散电弧、加 速电弧运动的目的，从而减少电弧在某一点的集中烧蚀，提高复合材料的耐电弧烧蚀性能， 为氧化物金属体系触头的设计和电弧的控制提供新思路和理论依据。 1 3 2 研究内容 1 砧2 0 3 增强体粒子大小对a 1 2 0 3 c u 复合材料的电击穿性能的影响。在a 1 2 0 3 粒子大 小不同的情况下，测定a 1 2 0 3 c u 试样的击穿强度、截流值、电弧寿命和抗烧蚀等 电学性能。分析砧2 0 3 颗粒的大小引起材料显微组织的变化情况。分析a 1 2 0 3 颗粒 大小与电学性能之间的关系。 2 在舢2 0 3 增强体颗粒大小一定的情况下，分析a 1 2 0 3 的含量对材料显微组织的影响 以及灿2 0 3 颗粒含量与电学性能之间的关系。 3 通过球磨时间的控制，研究a 1 2 0 3 粒子在舢2 0 3 c u 材料中的分布情况，研究球磨时 间与分布均匀性之间的关系；同时研究分布均匀性程度对a 1 2 0 3 c u 复合材料的电 击穿性能的影响。 6 2 材料的制备及实验方法 2 材料的制备及实验方法 2 1 材料的制备 2 1 1 原料的选择 1 3 0 0 目电解铜粉，纯度9 9 ； 2 不同规格的a 1 2 0 3 粉，纯度9 9 ，详见下表表2 1 。 表2 - 1 氧化铝的规格 t a b l e 2 - 1t h es i z eo f a l 2 0 3p a r t i c l e 2 1 2 工艺流程 本课题的材料成型工艺流程如图2 1 所示。 图2 1 制备a 1 2 0 3 c u 复合材料的工艺流程 f i g 2 - 1p r o c e s sc h a r to f t h ea 1 2 0 3 c uc o m p o s i t e 2 2 材料制备中的工艺问题， 2 2 1 氧化铝粉末的预处理 氧化铝( a 1 2 0 3 ) 具有多种晶型相，除了热力学稳定的0 相之外，还有丫、6 、o 等十几种热 力学不稳定的过渡晶型相，随着温度的升高，这些过渡型亚稳相都要向稳定相a 相转变， 而且这类相变是晶格重构型的不可逆相变h 钉。本实验中应用的舢2 0 3 粉应保证均为同一晶 型，故我们对其进行高温退火处理使其均转化为高温稳定的q a 1 2 0 3 。另一方面，本实验 中应用的氧化铝粉为超微粉，超微粉体具有较大的比表面积和较高的表面能，彼此之间极 7 西安理工大学硕士学位论文 易产生自发凝并和团聚现象，形成粒径较大的二次颗粒，防止超微粉体团聚是超微粉体技 术的难题。 超微粉体在空气中具有强烈的团聚倾向，其团聚的原因主要包括以下几个方面晰1 ： 分子间作用力即范德华力；颗粒间的静电作用力；颗粒在潮湿气相中的粘结；颗粒表面润 湿性的调整作用。正是以上各种作用的结果导致纳米颗粒在气体介质中的团聚。颗粒在空 气中粘结的原因是由于空气的相对湿度过大时，水蒸汽在颗粒表面及颗粒间聚集，增大了 颗粒间的粘结力4 7 1 。干燥处理是为了防止和破坏纳米颗粒间的液桥。在潮湿环境下纳米 颗粒之间易形成液桥并且液桥力很大。因此，杜绝液桥的形成或破坏已经形成的液桥可以 避免颗粒团聚的发生。因此，保持超微粉体干燥是防止团聚的非常重要的措施。 因此，对灿2 0 3 粉进行退火显得尤其必要，退火工艺如图2 2 所示。 2 0 型塑些3 0 0 整壁堡3 0 0 竺塑垫1l o o 坐塑垫l l0 0 c 娑2 0 c 图2 - 2 氧化铝粉末退火工艺 f i g 2 - 2a n n e a l i n gp r o c e s so f a l 2 0 3p o w d e r 我们对退火前后的氧化铝做x r d 测试。从图2 3 ( a ) ( b ) 可以看出，3 0 r i m 的氧化铝粉末 退火后的衍射峰变得尖锐，杂峰消失，说明其中的水分或其他杂质得到有效地去除。从下 图2 3 ( c ) ( d ) 中看出，普通市售氧化铝粉未( 1 5 9 m ) 经退火处理全部转化为稳定的a - a 1 2 0 3 。 8 惦2 02 5 葛4 04 5 郅舄8 0 阳7 5a n 墨筒2 53 0 葛4 0 毋墨e o 西阳丹田- 舸t 蝴扣t - 蜘 图2 3 氧化铝粉末退火前后的乇d 图 ( a ) 3 0 n m 未退火c o ) 3 0 r i m 退火后( c ) 1 5 9 m 未退火( d ) 1 5 i - l m 退火后 f i g 2 - 3x r d r e s u l t so f a l 2 0 3p o w d e rb e f o r ea n da f t e ra n n e a l i n g ( a ) ，( c ) i s3 0 n ma n d15 9 i nb e f o r ea n n e a l i n gc o ) ，( d ) i s3 0 n ma n d15 9 ma f t e ra n n e a l i n g 材料的制备厦宴验方法 2 2 2 氧化铝粒子的形貌观察 我们将退火后的氧化铝粉末置于一定量的无水乙醇中，进行超声波振荡，振荡时间 l o m i n 然后用滴管取适量混合液，滴于一次性载物片上，烘十。然后对氧化铝表面喷金 处理进行s e m 扫描，观察氧化铝颗粒形貌，如图2 - 4 所示，我们发现纳米级粒子均呈 均匀球形而大颗粒成不规则块状。结合激光粒度仪和s e m 结果，确定未知氧化铝粉末 的粒径，结果如表2 一l 所示。 国2 4 不同粒于大小的a 1 2 0 3 颗粒( s e m ) y e 貌 f i g2 4s e m m o r p h o l o g y o f t h e a l 2 0 3p a r t i c l e s 自r d i f f e r e a td i a m e t e r s ( a ) 3 0 n m ( b ) l o o n m ( c ) 1 6 0 n m ( c t ) 3 0 0 n m ( e ) l , u m ( 0 i5 , u r n 西安理工大学硕士学位论文 2 2 3 氧化铝颗粒在铜基体的分散 由于a 1 2 0 3 颗粒与c u 颗粒的比重和粒径相差较大及两者不浸润性，常规混粉方式很 难实现均匀混合。我们采用超声波振荡和高能球磨相结合方法进行混粉。 a 超声波振荡。目前，应用较为普遍的是在液体介质中，对超微粉体进行分散，在液 体介质中，超细粉体颗粒的团聚是吸附和排斥共同作用的结果。通常用超声波将分散剂中 的凝聚体打开。应用于分散超细粉体的超声属于功率超声一声空化，即液体中空腔的形成、 震荡、生长收缩以至崩溃。液体声空化的过程是集中声场的能量并迅速释放的过程，当空 化气泡崩灭时，发生一个极短的强压力脉冲，在崩灭点处形成寿命极短的局部热点，极短 的时间内在空化气泡周围的极小空间里产生5 0 0 0 k 以上的温度和大约5 0 m p a 的高压，并伴 生强烈冲击和时速达4 0 0 k m 的射流以及电发光的瞬间过程“8 , 4 9 1 。这足以打开凝聚体中小 微粒间的范德华力，从而使微粒均匀地分散在分散剂中。我们将退火后的氧化铝粉末置于 适量的无水乙醇中，进行超声波振荡，振荡1 0 m i n 左右，再将称量好的c u 粉倒入其中，继 续振荡2 - - 3 r a i n ，同时进行适当搅拌。 b 高能球磨( h i g h e n e r g yb a l lm i l l i n g ) ，也称为机械合金化( m e c h a n i c a la l l o y i n g 缩写 为m a ) ，是通过磨球、粉和球罐间的强烈相互作用，外部能量传递到混合粉末中咖1 ，因 为铜粉具有较低的强度和良好的塑性，在球磨过程中，铜粉受到钢球与罐壁和钢球之间的 反复挤压与剪切以及铜粉与氧化铝颗粒之间的摩擦等力的共同作用。混合粉末颗粒发生变 形、断裂和冷焊，并被不断细化，新鲜的表面不断地暴露出来这样明显增加了氧化铝颗 粒与铜颗粒的接触面积，缩短了原子的扩散距离，促使氧化铝颗粒镶嵌到铜基体。经过高 能球磨，氧化铝颗粒分布趋于均匀。 影响机械合金化过程的因素很多，包括磨球尺寸、球料比、球磨气氛、球磨转速、球 磨时间、球磨量、机械合金化的方式以及机械合金化过程的控制剂 5 1 1 0 本实验采用了尼 龙加工制作的球磨罐。球磨罐内壁光滑，密封性能好，避免了球磨过程中粉末的氧化，也 可以避免杂质的带入。球磨罐的内腔是球形的，这样在球磨过程中，可以有效的防止粉末 在底部结堆成块，使粉末在球与球的碰撞过程中被磨匀，从而提高了机械合金化的效果。 根据经验参考其它工艺过程，本实验确定球料比为1 0 ：1 ，球磨机的转速是1 2 0 - - - 2 0 0 转 分钟。经过前期试验结果，我们发现球磨后粉末氧化比较严重，对材料的性能破坏比较严 重，即使在还原气氛下烧结，也无法完全消除氧化现象。所以我们对球磨后的混合粉末进 行了专门的还原。通过不同还原温度下的试验，我们通过试样电导率的测试来确定球磨后 的混合粉末的还原工艺： ，o!竺竺!里_骂生20c500 5 0 0 1 22 0u 2 0 1 彳弋f l - 1 21 - 1 2j 、2 2 2 4 材料的致密性问题 本实验采用了热压烧结成形，即将粉末冶金中的成型和烧结工序合二为一，节省了时 1 0 2 材料的制备及实验方法 间。热压烧结在x p 8 0 b 微机程序控制高温烧结炉中进行，制得试样。 麟珑。2 0 1 2 等9 5 0 1 2 昔咖孚2 。中召9 5 们中2 州 我们对所制样品进行金相试样制备，在抛光过程中发现有a 2 0 3 颗粒脱落现象，表现 为试样表面有很多微小空洞( 普通光镜即可观察到) 。出现这种现象的原因是因为a 2 0 3 颗粒与c u 基体的润湿性差，结合强度低，而_ 目j b j j na 1 2 0 3 颗粒本身属于硬质相，很难实 现良好的致密性。为了获得较好的试样，我们对试样进行了二次复压( 压力1 8 0 m p a ) 。 2 3 金相试样的制备 试样经线切割，加工成直径l l m m ，高度1 0 m m 的试样，经图2 5 所示步骤制备金相 试样。 i 经1 0 0 0 拌金相砂纸 图2 5a 1 2 0 9 c u 复合材料的金相试样制备流程 f i g 2 5f l o wc h a r to f p r e p a r i n ga 1 2 0 9 c uc o m p o s i t em e t a l l o g r a p h i cs p e c i m e n 2 4 材料的物理性能测试 2 4 1 硬度测试 采用压痕法测试a 1 2 0 3 c u 复合材料的布氏硬度。用h b - 3 0 0 0 布氏硬度计进行测量， 载荷2 5 0k g ，钢球直径5 m m ，保压3 0 秒。根据金属种类确定负荷时间t i 根据试样大小 确定钢球直径d ；根据f d 2 = t ，确定载荷值f 。每个试样在读数显微镜下直接读出压痕直 径，每个测量值取三个点的平均值，查表得a 1 2 0 3 c u 复合材料硬度值。 硬度压痕还受表面气孔率多少的影响，可根据下列现象判断所得读数的精确度：压痕 形状是否规则；压痕形状是否对称；压痕周围金属有无裂纹。一般可读取3 4 个读数， 而应舍弃其中受气孔影响所得的读数。 2 4 2 电导率测试 所制备的试样经线切割后，每个试样选取三个不同的点，用7 5 0 1 型涡流电导仪进行 测试，记录各点电导率数值取平均值。涡流电导仪的测试原理是根据涡流值换算成电导率 的，测量时测头与材料的表面接触，因此要求被测材料表面平整，且无氧化皮等干扰层存 西安理工大学硕士学位论文 在，以保证测量的准确性。 2 4 3 致密度测试 本课题中的a 1 2 0 3 c u 复合材料均采用排水法测试，可由式( 2 4 ) 计算材料的密度。 根据阿基米德原理：浸入液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于它排开的液 体的重力，即 乃= ( m 一鸩) g 2 p o g v ( 2 1 ) = 等等 ( 2 2 ) 利用电光分析天平称量试样质量( 膨) ，用细铜丝系住试样，用电光分析天平称量铜丝 和试样在空气中的质量( m ) ，将试样完全浸没在蒸馏水( 岛= 1 0 0 0 9 c m 3 ) q b ，用电光分析 天平测得试样在水中的质量( 鸠) 。公式推导如下： 圪；6 ：鳖+ m o , ( 2 3 ) 论2 t p a 丝l , o , + 一 c u 【2 3 ) 鸠捣+ 蚝= m ( 2 4 ) 触醒= 芒 ( 2 5 ) 2 5 真空击穿试验 ， 2 5 1 实验电路和测量方法 本实验采用自行设计的电路，真空室由t d r - 4 0 a 型单晶炉改装而成，在真空室中模 拟真空断路器的工作条件，研究a 1 2 0 3 c u 复合材料的真空击穿性能。图2 - 6 是试验用高 压真空击穿电路，其中d 为高压硅堆，用于整流，c 为脉冲式电力电容器，数值为c = 2 5 p f ， & 为放电电阻，大小为3 0 0 f l ( 可调) 。 1 2 2 2 0 v 稳压器调压器 变压器 亡 一亡 _ 一亡 _ 亡 d r l r 2 图2 - 6 高压真空电击穿实验电路跏 f i g 2 - 6t h ec i r c u i to fh i g h 。v o l t a g ev a c u u me l e c t r i c a lb r e a k d o w n v c r s 2 材料的制备及实验方法 对试样进行1 0 0 次击穿试验。用o x f o r dj s m 6 7 0 0 f 电子扫描透镜观察多放电电压 u = 8 5 k w i o k v ( 负高压，可调) ，次击穿后烧蚀区域的组织形貌图。用t e k t r o n i x 公司生产 的t d s 2 0 1 4 型示波器对材料击穿时的击穿电压，击穿电流，截流值等数据进行采集。 2 5 2 耐电压强度的测量 触头材料的耐电压强度是衡量电学性能的一项重要指标。如果材料的耐电压强度不能 满足要求，不能成功分断电路，将会对电路造成严重的影响。 在真空击穿实验中，将制备好的a 1 2 0 3 c u 复合材料抛光后装入真空室内作为阴极， 针尖状纯w 作为阳极，用自耦变压器在两极间加上电压为8 k v , - 1 0 k v 的直流电，阴极以 0 2 r a m r a i n 的速度接近阳极，直至电击穿在阴阳极间发生，在电击穿的瞬间用千分表测量 出两极间的距离，击穿电压除以击穿距离得出材料的耐电压强度，每次击穿实验测量1 0 0 个数据。在此过程中，阴极和阳极间没有任何横向移动，以保证数据的准确性。本实验中， 放电电容为1 2 比f ，放电电阻为6 0 0 f 2 和1 0 0 f 2 ，真空度小于2 1 0 - 2 , a 。图2 7 是典型击穿 时电压的波形图。 从图2 7 中可以看出，电压波形中开始放电时，会产生一个较快和较大的电压下降过 程，这说明在材料被高压击穿以后，间隙中的电弧瞬时成为一个良好的导体，使电弧两端 的电压很小，放电后期出现不稳定的电压波形。这是由于电容电压和电流的变小导致电弧 不稳定而造成的，最后还出现一个电压的上升过程，上升稳定后的幅值是加在触头材料两 端的电压。 叙1 矿 缸1 l f l 4 x l 矿 i k l 矿 厶1 矿 l x l 矿 o - l r l 矿 图2 - 7 典型击穿过程电压波形5 3 1 f i g 2 - 7at y p i c a lv o l t a g e - t i m ec u r v e 耐电压强度的具体算法见文献巧3 1 如下： e c = e i n i - i 式中，丘为耐电压强度，v m ；易为第i 次击穿电场强度，v m ；n 为击穿次数。 2 5 3 截流值和电弧寿命的测量 ( 2 6 ) 真空开关的截流现象是指真空开关在分断交流电流时，电弧电流在工频电流自然过零 1 3 l口曩曩一2l_ 西安理工大学硕士学位论文 前突然截断为零的现象1 5 2 1 。截流值( 又称截流水平) 是电弧电流截断瞬间在工频电流波 形上所对应的电流值厶。在击穿实验过程中，使用示波器记录放电电流曲线。图2 - 8 是典 型击穿时电流的波形图。 从图2 - 8 中可以看出，真空电弧电流逐渐降低，当电流小于某一定值时，开始产生振 荡，最终电流截断为零。对应电流截断时的电流为截流值i c ，对应的时间为电弧寿命。 图2 - 8 典型击穿过程电流波形跏 f i g 2 - 8at y p i c a lc u r r e n t - t i m ec u r v e 由于截流值和电弧寿命分布具有统计学特性，因此本文中的厶和为连续测量1 0 0 次后 求算术平均值，具体算法见文献嘲1 如下： ni i c = i i | n q i - !， 式中，厶为平均截流值，彳；厶为第f 次截流值，彳；为击穿的次数。 n| 巳= 乃 ( 2 8 ) i - 1， 式中，为平均电弧寿命，2 ；砀为第f 次的电弧寿命，脚；n 为击穿的次数。 在电流波形中，电流首先出现与电容电压相对应的快速下降过程，当电流变小到一定 值以后便出现上下快速波动的不稳定，最后直接截断，出现截流，截流时电流的大小就是 截流水平，从开始放电到出现截流这段时间为电弧的寿命。 2 6 主要实验设备 1 自制的高能球磨机 2 x p 8 0 b 微机程序控制高温烧结炉 3 z r s 18 q 型微机程控指控高温烧结炉 4 激光粒度分析仪 5 电光分析天平 6 h b 3 0 0 0 型布氏硬度计 7 涡流电导仪 1 4 s笆1 2 材科的制备及实验方法 8 奥林巴斯金相显微镜 9 j e m 6 7 0 0 f 场发射扫描电子显微镜 l o m 7 0 0 0 sx 射线衍射仪 1 1 单晶炉改造成的真空电击穿装置 1 2 超声波振荡器 1 5 3 氧化铝粒子大小对a 1 2 0 3 c u 复合材料的耐电击穿性能的影响 材料的组纵和性能之间的关系非常密切，而材料的最终组织应该是有材料的成分和i j 工过程确定的。粒了增强型复材料按照颗粒大小可分为：弥散强化复台材料和颗粒增强 复合材料。颗粒的大小对材料的性能影响一直都是研究者焦点。所i 三i 本章就颗粒大小对材 料的力学性能、电学性能和电弧运动的影响进行研究。 3 1 试样制备 实验以纯铜粉( 3 0 0 目) 和不同颗粒尺寸的氧化铝颗粒为原料a 1 2 0 3 颗粒按1 质量 分数添加，按照工艺1 进行试样制备。表3 - 1 为本组实验的具体实验方案 表3 - 1 实验方案 t a b 3 - it h e p l a n o f e “p e r i m e n t 3 2 金相组织观察 图3 1 为不同粒子大小的a i ：0 3 c u 复合材料的显微组织图。从图中可以看出，铜基 体上分布着细小的a 1 2 0 3 颗粒，其中黑色小圆点状和片状物质为a 1 2 0 3 颗粒。从图3 - 1 ( a ) 可以看出，纳米级氧化铝颗粒出现了轻微的团聚现象，a 1 2 0 3 颗粒的平均粒径达到几十纳 米。图3 一l 中没有出现明显的a 1 2 0 3 颗粒剥落的现象说明a 1 2 0 】颗粒与铜基体结合良好， 具有良好的界面强度。 从图3 - 1 ( b ) ( c ) 中，可阻看出添加1 0 0 n m 和1 6 0 h m 的复合材料中a 1 2 0 3 颗粒分布非常 均匀。从其他图( 图3 - 】( d ) 0 ) ( o ) 中，我们可以看到，有片状的的黑色区域，这并不是单纯 的a j 2 0 3 颗粒团聚体，而是由于氧化铝脆性引起的大颗粒( 1 u m 一1 5 “m ) 氧化铝在球磨 混合过程，由于颗粒在混合粉末球磨过程中具有一定的粘滞性，氧化铝颗粒破碎，并在原 3 氧化铝粒子大小对a 1 2 0 ，c u 复合材料的耐电击穿性能的影响 图3 - 1 不同增强颗粒大小的a 1 2 0 9 c u 复合材科的金相组织圉 f i g 3 i m i c r o s m 】c v u mo f t h e a l 2 0 3 c uc o m p o s i t eo f d i f f e r e n ! d i a m e t e r s o f a l 2 0 3 p a r t i c l e 曲3 0 n mb ) 1 0 0 m 曲1 6 0 m nd 13 0 0 r i me 1i t t mn1 5 u r a 来的位置附近分散开去，呈流动状。这种现象是大颗粒增强材料经球磨后的独特现象，这 种现象的发生，会导致孔隙的残留，对材料性能有一定的负面影响，必须通过后续的工艺 予以消除和改进。所以我们可以得到这样的结论：纳米级颗粒易团聚性，可以通过系列分 散方法予以改善，但不能完全消除：大颗粒不存在颗粒团聚现象，但存在吸附现象，同时 由于氧化铝颗粒的脆性，会使其在原来位置破碎，对材料有一定的危害。 3 3 物理性能 对制各的试样的致密度、硬度和电导率进行测试，结果见图3 - 2 。图3 - 2 为不同氧化 铝粒子的a 1 2 0 3 c u 复合材料的硬度和电导率曲线。从图3 - 2 中可以看出，随a 1 2 0 3 颗粒的 增大，硬度逐渐减小，且减小的趋势非常大，其中添加3 0 n m 氧化铝粒子的复合材料硬度 达到h b l l 8 ，而添加1 5 9 m 的复合材料的硬度值降到h b 7 7 。随着粒子的增大，复合材料 的电导率有运渐增大的趋势，但变化幅度不大，所制各试样的电导率均在9 15 i a c s 以 上，电导率的表现比较理想。 对硬度的表现可用粒子强化机理”“来解释。弥散强化复合材料是由弥散微粒与基体 复合而成其增强原理与析出强化机理原理相似，可用o r o w f l n 机理，即位错绕过理论来 解释，见图3 - 3 。在外力的作用下，复合材料的基体将主要承受载荷，而弥散均匀分布的 增强粒子将阻碍导致基体塑性变形的位错运动( 例如金属基体的绕过机制) 或分子链运动 西安理工大学硕士学位论文 皇 、 晷 墨 图3 - 2 不同氧化铝大小的a 1 2 0 3 c u 复合材料的硬度和电导率 f i g 3 2t h eh a r d n e s sa n dc o n d u c t i v i t yc u l n e so f a l 2 0 a c uc o m p o s i t e a td i f f e r e n td i a m e t e r so f a l 2 0 3p a r t i c l e ( 高聚物基体时) 。