（材料科学与工程专业论文）新型agnisno2材料的制备与性能研究.pdf

浙江大学硕士学位论文薛天2 0 0 8 年6 月摘要 摘要 a g c d o 材料由于其优良的抗电弧侵蚀性能，被称为“万能触头材料 。但是 由于c d 有毒，所以开发环保型电性能优良的触头材料具有重要的应用前景。 a g s n 0 2 与a 斟i 是两类目前研究较多的触头材料。由于两者在电性能以及力学 性能上有较强的互补性，所以本文将两者进行复合，研究一种新型的触头材料 a g n i s n 0 2 。 本文首先基于电触头研究中大多从电气性能出发，缺乏材料角度理论指导的 现状，综述了基体材料、第二相、添加剂、材料缺陷等各种因素对触头材料电性 能的影响，同时结合本文课题，综述了a g s n 0 2 以及a g n i 两种具体材料的性能 特点。其次，由于a g n i s n 0 2 这种材料尚没有相关科研人员研究，所以详细探讨 了其用粉末冶金法制备的烧结工艺，确定了本实验中成型压力、烧结温度、烧结 气氛等参数以及是否采用分段烧结以及化学镀工艺。第三，作者注意到n i 粉的 规格，例如粒度、形貌、含量会对复合材料的烧结、烧熔组织与性能产生影响， 所以探讨了三种不同规格的n i 粉的影响。最后，基于触头烧结体后续的加工过 程复杂的现状，进行了一系列的理论分析，使用实验室得到的触头烧结体电阻率 以及烧熔组织形貌能够用来预测接近理论密度线材的电阻率以及电弧侵蚀后的 形貌。 对a g n i s n 0 2 的烧结工艺进行了详细地探讨，研究表明：n i 粉的还原温度选 择在3 5 0 ，在此温度下，n i o 完全被还原且样品“结块”效应较弱。成型初压 压力2 5 0 m p a ，成型复压压力5 0 0 m p a ，初烧温度8 8 0 ，复烧温度8 6 0 下样品 的烧结组织与性能优良。选用含有h 2 的烧结气氛会将材料中s n 0 2 组分还原，所 以实验中选用纯n 2 作为烧结气氛。分段烧结的工艺可以提高样品的致密度， a g n i s n 0 2 采用分段烧结工艺的样品复烧后致密度比不采用此工艺的样品高1 ， 不过此工艺对其烧结组织影响不大。采用包覆粉作为原料可以消除组织疏松现 象，不过其对样品复烧后的致密度影响不大。 n i 粉的形貌、粒度对材料烧结、烧熔组织与性能影响的实验表明：不规则 形貌的n i 粉对样品的初压过程会产生一定的阻碍作用，含树枝状n i 粉的样品致 密度比平滑n i 粉低3 5 ；含粒度小n i 粉的样品初烧致密化效果明显，但是会 浙江大学硕士学位论文薛天2 0 0 8 年6 月摘要 降低复压效果。不规则形貌的n i 粉极易发生颗粒之间的团聚现象，团聚体内部 以及四周会产生数量较多的孔隙，s n 0 2 除了分布在基体外，还分布于孔隙的周 围。在对样品烧熔后发现，表面发生“鼓出”现象，平滑粉“鼓出 现象最为明 显。同时三种含n i 样品烧熔后底部均没有大块“富a g 区 的出现，其中含针 状n i 粉的样品底部形貌最好，分析为n i 针状的形貌会对液a g 的向下流动产生 阻碍，同时其粒度较小，增加了熔池粘度。此外还探讨了n i 含量的影响，认为 n i 与s n 0 2 各为6 时，复合材料的烧结、烧熔组织与性能最好。 电阻率是触头材料电学性能的一个重要指标，而抗电弧侵蚀能力决定了触头 材料的电寿命，所以两者的研究极其重要。由于触头材料烧结体后续的压力加工 过程较复杂，生产周期长，因此用实验室得到的较低致密度下烧结体的电阻率以 及烧熔组织形貌来预测经过压力加工后的接近理论密度线材的电阻率以及电弧 侵蚀后的形貌，具有较大的意义。在预测线材电阻率时，运用了文献中的公式， 进行了一系列的理论分析。在对理论密度的a g s n 0 2 电阻率计算时发现，公式计 算值比文献实测值小4 5 一9 1 。用公式对a g s i l 0 2 ( 6 ) 不同致密度下的电阻 率数据进行拟合得到其电阻率为2 0 1 衅c m ，在用公式计算得到的数值为 1 8 3 衅c m ，两者差9 o ，在4 5 一9 1 内，认为2 o l 衅c m 这个数据可以作 为本实验中a g s n 0 2 ( 6 ) 致密度为9 9 的线材的电阻率。在详细分析了烧熔与 电弧侵蚀工作环境的不同以及两者实验前不同致密度下材料组织的不同后认为， 电弧侵蚀后“富a g 区”的尺寸比烧熔后“富a g 区”的尺寸小，分析为电弧侵 蚀前材料第二相( 第三相) 在基体中分布较复烧后均匀、致密，其阻碍液a g 流 动的能力更强。同时，对于a g s n 0 2 的“分层”现象，在电弧侵蚀后组织与烧 熔后组织体现的效果是相同的。这是因为“分层”现象与a g 与s n 0 2 的密度差 异以及两者的润湿性有关，而这两个因素与两者实验前材料组织的差异是无关 的。 关键词：触头材料；a g n i s n 0 2 ；电弧侵蚀；烧结；烧熔；电阻率；致密度 玎 浙江大学硕士学位论文薛天加1 0 8 年6 月a b s t r a c t a b s t r a c t s i l v e rc a 蛳u mo ) 【i d ei sc o n s i d e r e da su i l i v e r s a le l e c m c a lc o n t a c tf i o ri t s e x c e l l e n ta m i - a r c p r o p e r t i e s c u r r e md e v e l o p e m a la c t i v i t i e s a r ef o c u s e do n 也e i 蛐o c u o u s 锄dl l i 曲p e o n n a n c ec o n t a c tm a t e r i a l st or e p l a c et l l eh a z a r d o u ss u b s t a i l c e a g c d o s of i 码a g s n 0 2 觚da g n ia r et 、0 k i i l d so fc o m a c tm a t 耐a l s 锄dt l l e i r e l e c t r i c a l 锄dm e c h a i l i c a lp r o p e n i e sa r ec o m p l e m e n t a 巧t oac e n a i ne x t e n t t l l i sp a p e r i st or e s e a r c han e wc o m p o s i t ec o n t a c tm a t e r i a l a g n i s n 0 2 t h ef o n l l e rr e s e a r c hi s m a i n l ya b o u t t l l ee l e c t r i c a lp l e r f 0 n n a n c eo fc o n t a c t m a t e r i a l 锄di sl a c ko ft h eo b l i g a t o 巧t l l e o 巧f 如mm a t e r i a la s p e c t s ot 1 1 et h e s i si nt h e b e g i i l i l i n gs u m m a r i z e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt l l em a t e r i 猷f a c t o r s 锄de l e c t r i c a l p e r f i o 衄a n c e t h em a t e r i a lf a c t o r si n c l u d em 撕x ，s e c o n dp h 雒e ，a d d i t i v e 趾dm a t e r i a l d e f e c t t h ef i r s tp a r ta l s o 驯l i i ：l i l l 撕z e st l l ec o n c r e t ec h a r a c t e r i s t i c sa b o u tt h ea g s n 0 2 a n da g n im a t e r i a l s s e c o n d l y s i i l c et l l ea g n i s n 0 2m a t e r i a li sp r e p a r e db yp o 、v d e r m 削l u 略y ( p m ) ，t h es i i l t 嘶n gp 1 o c e s ss u c h 嬲t l l ec h o i c eo fm o l d i n gp f e s s u r e ， s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，s i n t e r i n ga n i l o s p h e r e ，s e c t i o n a d rs i n t e r i n g 锄de l e c t r d l e s s p l a t i n go rn o ti sp a n i c u l 砌yd i s c u s s e d 1 1 1 i r d l y t h ep a n i c l es i z e ，s 眦f a c em o 印h o l o g y 锄dc o n t e n to fi l i c k e lm a yi n n u e n c et l l es 仃u c t u r eo fm a t e r i a l sa r e rs i n t e r i n ga i l d m e l t i n g 1 1 1 ee 虢c ti si n v e s t i g a t e d l a s t l y b e c a u s en l ep r o c e s so ft h es i n t 嘶n gb o d y p r e p a r e di nt l l el d b o r a t o 巧t u r i n gi n t ot h ef i n a lc o n t a c tm a t e r i a lm a d ei nt l l ef a c t 0 d ，i s c o m p l i c a t e da l l dn e e d sr e l a t i v e l yl o n gt i m e ，t l l et 1 1 e s i su s et h et h e o r e t i c a la n a l y s i st o p r e d i c tm ec o n d u c t i v 毋a i l dm o 印h o l o g yo fa r ce r o s i o na 髋rp l a s t i cf 撕c a t i o n t h ew i l o l ee x p e r i m e n t so fs i m e r i n gp r o c e s si n d i c a t et l l a tt l l es u i t a b l ed e o x i d a t i o n t e m p e r a t u r eo fn i c k e l i s3 5 0 i i lt l l i st e m p e r a t u r e ，n i oi sc o m p l e t e l yd e o x i d e da i 】i d h a sl e a s ta g g r e g a t e de 仃i e c t t h ef i r s tm o l d i i l gp r e s s u r ei s2 5 0 m p aa n dt h es e c o n di s 5 0 0 m p a t h ef i r s ts i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei s8 8 0 a n dt 1 1 es e c o n di s8 6 0 u n d e r t 1 1 e s ep a r a m e t e r s ，t l l es t m c t l l r ea n dp r o p e n i e so ft 1 1 ea g n i s n 0 2a r em u c h 矗n e n 2i s c h o s e na st l l es i n t e r i n ga n n o s p h e r eb e c a u s ei f 也ea 恤o s p h e r ec o m a i l l sh 2 ，t l l es n 0 2 谢ub ed i s a b l e d s e c t i o n a r ys i n t e 血gc 趾i n c r e a s en l ed e n s 时b y1 b u tr 1 0 t i n n u e n c e st l l es t r u c n l r e c o a t e dp o w d e ra g s n 0 2c a l lm a k et l l e 咖c t u r ec o m p a c tb u t n o ti n n u e n c e st h ed e n s i t yo ft l l em a t e r i a l t h em o r p h o l o g ya i l dp a r t i c l es i z ec 锄i n n u e n c et l l e s i n t e r i n ga n dm e l t i n g s 仃u c t u r ea 1 1 dp r o p e r t i e s i ti n d i c a t e st 1 1 a tt h ei r r e g u l a rm o 印h o l o g yo fn i c k e lc a nh i n d e r t h ef i r s tm o l d i n g t 1 l ed e n s i 够i n c l u d i n gt h e “b 啪c h1 1 i c k e l ”i ss m a l l e rb y3 5 t 1 1 a n t l l e “s m o o t hn i c k e l ”i ti so b v i o u st 1 1 a tt h em a t e r i a l i n c l u d i n gs m a l lp a r t i c l es i z en i c k e l l 浙江大学硕士学位论文薛天 m r e 嬲e s 龇f i r s ts n e r i n ge 饪tb u td e c r e a s e s 恤c o n dm o l d i n ge 舵c t t h e i 仃e g u l a rm o 印h o l o g yo fl l i c k e lt e l l d st og e tt o g e t l l e ra n dp r o d u c em eh o l ei n s i d e 锄d a r o u l l dt 1 1 ec l u s t e r s n 0 2d i s t r i b u t e sn o to i l l yi nt l l em a t r i xb u ta r o u n dt l l eh o l e 1 1 l e “d m m ”a p p e a r so nt h es l l r f a c eo ft l l l s a m p l e sa 舭rm e l t i n g 锄dm eh e i g h t0 f “d n 吼，o ft l l em a t 耐a li i l c l u d 吨“锄o o t h1 1 i c k e l ”i s 血eb i g g e s t 1 1 1 es 泌o f a g 币c h a r e aa tt l l eb o t t o mo fm r e es 锄p l e sa r en o tb i ga n dt 1 1 es i z eo ft l l em a t e r i a li n c l u d i i 培 “n e e d l ei l i c k e l ”i ss m a l l e s t 1 1 1 e 锄a l y s i so f l ep 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开关、仪器开关等的接触元件，主要承担接通、断开电路的作用。电触头在使用 过程中，受电弧及机械力的作用引起材料的侵蚀、转移、熔焊、温度升高等，从 而导致整个电器的失效。所以，制备高性能的电触头材料对于继电器等低压电器 的可靠性意义非常重要。 a g c d o 材料由于其优良的抗电弧侵蚀和抗熔焊性能广泛应用于各种低压电 器中，被称为“万能触头材料”【2 】。但是，由于c d 有毒，尤其是2 0 0 3 年欧盟发 布了关于电子电气产品的指令【3 】，c d 造成的环境污染成为电触头行业急需解决 的重大难题。同时随着低压电器向小型化、高可靠性、长寿命方向发展，a g c d o 触头材料也暴露出抗熔焊性能不足，电弧侵蚀严重等问题【4 】。为了寻找a g c d o 的替代品，目前已经发展了多种类型的材料如a g s n 0 2 、a g n i 、a g z n o 等环保型 电触头材料。其中，a g s n 0 2 由于具有在中重负荷下优良的抗电弧侵蚀性能和抗 熔焊性能，以及直流下良好的抗材料转移能力 5 】，被认为最有希望成为a g c d o 的替代品，可以满足电器运行中的高可靠性、长寿命的要求。但是，a g s n 0 2 触 头材料在运用过程中存在温升高、小电流抗电弧侵蚀差、加工困难等诸多问题 【6 】。研究及实践结果表明，通过在a g s n 0 2 中添加某些元素等方法，可以部分改 善加工性能以及不同工作条件的要求。 那么，是否有更好的替代a g c d o 的触头材料? 或者，能否使个性化的 a g s n 0 2 触头材料具有更广泛的适用性? 为回答上述问题，从材料研究的角度， 必须首先了解触头材料的使用环境、性能要求及其失效形式，解明触头材料的失 效机理；其次，必须掌握材料成分、组织结构与触头材料失效之间的关系。为此， 本文首先介绍电接触理论；在此基础上，阐述触头材料的失效形式及机理，以及 影响触头失效的材料因素；然后进一步对a g s n 0 2 、a g n i 等典型触头材料研究现 状进行综述。 1 2 电触头的失效机理 日常使用电器过程中，接触部位的电阻是普遍存在的，因此，研究接触电阻 以减小对电器的影响非常重要。同时，触点在接通和断开电路时，会产生电弧， 这是触头材料失效的主要原因。本节重点介绍接触电阻和电弧相关的理论。 1 2 1 电接触理论 无论两导体接触表面经过怎样的精细加工，其在微观上总是凹凸不平的，真 正发生接触是一个或多个微小的点或面，而非两导体宏观重叠的接触面积，通常 将实际接触面称为“接触斑点；由于接触斑点上一般都覆盖着不导电的表面膜， 只有表面膜被外加力压破的地方才能形成金属与金属的直接接触，电流只能从这 些很小的金属接触点中通过，这样的接触区域称为“导电斑点【7 】。 由于导电斑点的存在，当电流通过电接触元件时，实际上电流将集中流过那 些极小的导电斑点，因而在导电斑点附近，电流必然发生收缩，使电流流过的路 径增长，有效面积减少。因而出现局部的附加电阻，称为“收缩电阻 【8 】。如果 电流通过的区域不是纯金属接触，而是存在可由电子借“隧道效应 9 】而导电 的表面膜，则还存在另一附加电阻，称为“膜电阻”。这两部分附加的总电阻称为 “静态接触电阻”。此外，触头在工作过程中，受电弧和机械力的作用，导致接 触电阻变化，由这种效应引起的接触电阻称为“动态接触电阻”。 既然存在电流和接触电阻，那么电触头在工作过程中必然会生成热量。接触 电阻是衡量热量、电器温升情况的一个重要指标。接触电阻越大，则电弧对触头 的热量输入越大，温升提高，两触头间表面材料发生熔化产生失效的可能性也越 大。所以，在触头使用过程中，总是希望触头的接触电阻低而稳定。 在不考虑触头表面微观形貌时，静态接触电阻的大小主要由触头材料本身的 电阻率决定，而电阻率是与物质内部载流子的浓度以及运动过程中受到的散射程 度有关。载流子浓度高，载流子运动过程中受到的散射弱，导电性好 1 0 】。因此 下面详细介绍材料的电阻率及其影响因素。 对于用粉末冶金法( p m ) 制备的触头材料，电阻率有以下几个影响因素： 孔隙率 触头材料电阻率与材料的孔隙率有关，孔隙率大，电阻率大。这一是由于孔 隙本身不导电；另一方面，孔隙率大，孔隙的数量增多，界面增大或增多，电子 2 散射效应增强，也会使材料的导电性下降。 基体及第二相的电阻率 材料电阻率随着各相电阻率增大而增大。 第二相在复合材料中的体积分数 第二相在复合材料中的体积分数也会影响材料电阻率。 文献【1 0 】研究了多相合金的电阻率，并给出了适用于触头材料的“基体型 ( 一相形成基体，该基体中嵌入互不相连的第二相晶体) 电导率公式( 1 1 ) ： f1 吁1 1 + 盎l n j 【 3 吼一盯。j 式中形一复合材料中第二相的体积分数，仍一第二相的电导率，一基体材料的 电导率，一复合材料的电导率。 ( 1 2 ) 式的前提是第二相为球形颗粒，在基体中均匀分布，不考虑粒度影 响。同时文献 1 1 】给出了多相合金( 两相以上) 电导率通用公式： 莩磬_ o “2 ) 式中盯一多相合金的电导率，西一第i 个组成相的电导率。 从公式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 可看出，电阻率与各相电阻率以及体积分数有关。 第二相的形貌、粒度、分布 第二相的形貌、粒度、分布同样会影响电阻率。其中球形的形貌电阻率小， 因为其颗粒外表面积相对于不规则形貌的外表面积小，对自由电子的散射作用 弱。粒度影响表现为：相同质量的第二相，粒度越小，颗粒数目越多，其总外表 面积相对于大颗粒的总外表面积越大，造成颗粒与基体和颗粒与孔隙形成的界面 增多，电子散射效应增强，电阻率增大。分布影响表现为：第二相分布越均匀， 自由电子被散射几率越大，电阻率越大。因为第二相颗粒分布越均匀，颗粒与基 体之间的界面越能最大程度上地阻止自由电子的运动；相反，如果分布不均匀， 会造成界面重叠，散射效应较前面变弱。 杂质 固溶于基体中的杂质对基体电阻率有较大影响。原因是溶质原子的溶入，使 得溶剂金属的晶格发生畸变，增加了自由电子的散射。文献【1 2 】给出了低浓度固 3 溶体电阻率表达式( 1 3 ) ： 尸= 风+ p ( 1 3 ) 其中p d 表示固溶体溶剂组元的电阻率；p 为剩余电阻率，p = c p ，c 是杂质 原子含量，4p 表示1 原子杂质引起的附加电阻率。 杂质如果与基体形成金属间化合物，也会增大材料的电阻率。原因是金属键 部分转化成共价键以及离子键，导电性能下降。 冷加工 冷加工一般会使金属材料的电阻率增大。因为冷加工使金属晶格产生畸变， 晶粒破碎，位错密度增加这几个因素均导致电子散射几率增大，电阻率增大。对 冷加工的金属进行退火处理，可以使电阻率恢复到加工前的数值。 影响动态接触电阻的材料因素主要有基体的化学稳定性、润湿性，第二相的 热稳定性、粒度、分布等等，具体如下： 基体化学稳定性 不同基体材料的化学稳定性存在差异，某些有害的环境气氛如0 2 、h 2 s 、s 0 2 等与触头材料发生腐蚀反应，生成导电性很差的污染膜，从而影响触头材料的接 触电阻。例如，铜基、钨基、钼基触头在使用过程中容易被环境中的空气氧化， 在触头表面形成厚的氧化膜，从而产生较高的接触电阻。 第二相 第二相的成分及其物理化学性质直接影响触头的动态接触电阻。例如，对于 a g s n 0 2 触头，因第二相s n 0 2 的分解温度高达2 3 7 3 不易分解，且s n 0 2 与基体 银的润湿性差，会在触头表面富集。又如a g n i 触头，工作过程中产生的高温会 使n i 氧化生成高电阻率的n i o ，增大接触电阻。 关于第二相含量、粒度、形状及分布对动态接触电阻的影响目前尚无文献报 告。一般认为，由于导电斑点的尺寸一般在2 0 岬左右【l 】，如第二相粒度过大， 当其处于触头表面时，容易使接触电阻增大，因此银氧化物电触头材料中，氧化 物的颗粒大小以1 5 p m 为多；第二相分布不均匀则易造成电弧触头表面的选择 性侵蚀。在第二相分布聚集的地方，静态接触电阻很大，同时第二相与基体的界 面增多，往往容易造成电弧对该区域的集中侵蚀。 添加剂 4 文献【1 3 】研究了添加剂n i 对a g w 基触头的电性能的影响，电弧作用下，添 加剂n i ( 2 o 1 2 训) 能改善a g 和含w 相之间的亲和力，使熔银更容易在触 头表面铺展，因而降低接触电阻。文献【1 4 】研究发现a g w c 触头中添加c o ，能 使a g 能保留在触头表面，形成低表面电阻结构，因而接触电阻小于a g w c 、a g w 等触头。文献【1 5 】研究发现在a g 一3 7 、砒w c 触头中添加3 吼的石墨，能防止触 头表面高电阻率层的形成。 材料缺陷 材料缺陷主要包括裂纹、孔隙、杂质、夹杂物等等。 文献 1 6 】指出：触头材料中的孔隙在电弧高温作用下体积膨胀、压力升高， 并最终逸出触头基体，使触头表面形成微小的凹坑或气孔，造成了触头表面形貌 的劣化，从而对接触电阻产生影响。文献【1 7 】研究表明，在a g s n 0 2 的烧结过程 中，杂质的存在会阻碍粉末的烧结过程，不利于第二相在基体中分布的均匀性和 致密化，增大触头接触电阻。 综上所述，欲使材料接触电阻低而稳定，首先应进行精加工力图使触头表面 平整，触头不以“尖点”接触，这样可以降低接触电阻。此外，触头的表面膜可以 用机械或电的办法去除；对于普通金属表面形成的氧化膜，也可以通过气体还原 的办法去除以减小膜电阻。 1 2 2 电触头间的电弧及其特性 电弧是气体放电的一种形式，具有极高的能量。电弧使触头产生高温以及力 的作用，导致触头因高温蒸发及喷溅产生材料的侵蚀和转移，以及触头间的熔焊 等问题，引起触头的失效。触头间电弧的产生及其特性介绍如下。 ! ：圣尘! 重垂笪烂 触头断开电流时，从正常闭合位置开始向断开的方向运动，因接触力逐渐减 少，实际接触面和导电面的面积减小，接触电阻相应增大。在接触面最后分离前 的一瞬间，电路中电流全部通过最后离开的一个很小的金属点，接触电阻极大， 产生的焦耳热全部加在该点上，使其温度迅速上升到金属的沸点而引起爆炸式气 化，间隙充满高温金属蒸气，触头间形成蒸气态电弧。随着触头的继续分离，电 弧被拉长。这种由触头断开产生电弧的现象称为“拉弧”。当触头间的距离进一步 增加达到“临界间隙距离”时，金属蒸气密度连续下降，由于扩散现象，周围气体 填充到电弧区，在电压的作用下发生电离，产生气体态电弧。 触头在闭合的过程中，当两触头表面运动到相互接近时，往往会被加在触头 上的电压击穿而产生电弧，这个现象称为闭合时的“小间隙击穿电弧”。但随后两 触头迅速相互接触，电弧消失。实践中，触头的闭合过程并不是动、静触头第一 次接触就能完成，一般要经过几次接触、分离的重复跳动，最后达到静止的闭合 状态，这种现象称为“动触头的弹跳”。这种弹跳过程同样会发生如后所述的熔焊 现象。 电弧可以分为三个区域：阴极区、弧柱区和阳极区【1 8 】。阴极区提供电子， 它是电弧在触头间持续燃烧的源泉；弧柱充满着高温、离子化的气体，可以向阴 极发射正离子；阳极收集从弧柱发出来的电子；因此，电弧是个等离子体 1 9 】。 弧柱贴近电极部分称为弧根，阴极和阳极的弧根截面一般小于弧柱截面，因 而接近电极的弧柱呈现收缩现象。 触头间电弧形成后，对触头产生高温和力的作用。高温产生的主要原因是电 流集中在电弧与触头表面处接触的地方( 弧根) ，从而使该处产生极大的焦耳热， 温度急升，一般可以达到上千度。触头材料在电弧产生的高温作用下会蒸发，表 面局部区域会熔化形成熔池。 电弧对触头力的作用有两个方面。第一，由于热作用而引起触头材料内部巨 大的温度梯度，从而形成热应力。第二，电弧对电触头材料表面弧根区域力的作 用，其中包括电子力、静电力、电磁力、物质运动的反作用力、等离子流力。其 中电弧对电触头材料表面弧根区域力的作用易使熔池中的金属产生喷溅等现象， 导致材料的侵蚀和转移。 上面已提到，电弧作为气态的载流子导体，在自身磁场和外加磁场的作用下， 会受到电磁力的作用。因此，电弧会在触头表面运动。电弧在触头某处停留时间 6 越长，则电弧对该区域的作用越大，易导致此处更高的温度效应，使材料失效。 在触头开断而产生电弧后，电弧的弧根会在触头表面某一点静止，这种现象 叫做“电弧停滞”，这段时间称为“电弧停滞时间”。影响电弧停滞时间的因素有触 头分离速度、电弧电流、外加磁场等。在触头使用过程中，一般会运用外加磁场， 以加强电弧的运动速度，缩短电弧停滞时间，使其尽快移出触头表面。 1 3 电触头的失效形式 前面已论述，电弧的能量输入会使触头材料失效。本节将重点讲解触头材料 失效的具体表现形式，主要有触头材料的侵蚀和转移、熔焊、温升三种。 1 3 1 电触头材料的侵蚀和转移 触头材料的侵蚀主要包括机械磨损、环境腐蚀及电弧侵蚀。其中，电弧侵蚀 是指触头表面受电弧的作用，触头材料发生气体蒸发、液体喷溅或固态脱离触头 本体的过程。可以说，电弧侵蚀极大地限制了各类电器开关的工作寿命。 电弧侵蚀的主要形式有两类： 气化蒸发 在电弧能量作用下，触头表面层材料由固态转变为液态后，再转变为气态脱 离触头的过程。一定条件下，材料也存在由固态直接变为气态即升华的过程。 液态喷溅 电弧能量作用下，触头表面某一区域熔化形成熔池，液池内的液态金属在各 种力的作用下，以微小液滴的形式飞溅出去造成材料较大损耗的过程。 电弧侵蚀的形式随材料及电流条件的不同而变化。通常小电流时触头材料的 侵蚀主要是气化蒸发侵蚀。增大电流，则不仅有材料的气化蒸发，而且还会出现 液态金属的喷溅现象，进一步增大电流时，强烈的液态喷溅可能成为触头材料侵 蚀的主要形式。 电弧对触头材料造成的液态喷溅现象发生在触头表面电弧热作用形成的金 属熔池上。因此，研究“触头表面熔池”的特性尤为重要。润湿作用是表面熔池的 重要特性之一，衡量液体在固体表面润湿能力常用接触角【2 0 】。接触角小，表示 液体对固体润湿能力强。对于含有第二相颗粒的银基触头材料，在高温下，需要 关注熔银与触头以及第二相颗粒与熔银特别是后者的润湿性，只有两者的润湿性 均良好，才能保持熔池粘度，提高触头的抗喷溅能力。 影响触头侵蚀的因素很多，属于电弧及电参数方面的有：电路的电压、电流、 负载特性、电极的极性、电弧燃炽时间、电弧的运动、磁场吹弧、电弧在其中燃 烧的气体介质及气体压力。属于机械力的参数有：接触压力、闭合速度、分断速 度、触头间隙的距离、触头弹跳。属于触头本身的有：触头材料及其制造工艺、 触头形状和尺寸、触头的表面状态和触头材料的配对等。 从材料角度去分析，影响触头蒸发损耗的因素有触头表面释放的热量大小， 以及触头材料的熔点、沸点等热物理性能参数，而前者与接触电阻密切相关；而 对于后者，一般来说，金属的熔、沸点越高，触头材料越不容易转变成气态蒸发 损耗。 由于喷溅损耗对触头造成的损失更为严重，所以更应该关注影响触头喷溅损 耗的因素，主要有以下几点： 基体材料 基体对材料的喷溅影响首先跟基体的热物理性质有关，基体熔点越高，越不 容易产生熔池，即使产生熔池，尺寸也较小，因此基体产生喷溅损耗的倾向小。 以银和钨为例，银的熔点为9 6 1 ，而钨的熔点高达3 4 1 0 。相比之下，银在电 弧高温作用下容易形成熔池，容易造成熔体的喷溅损耗。因此银触头通常需添加 第二相以提高熔池的粘度，减少熔体的喷溅。 第二相 第二相例如第二相的物理、化学性质，第二相的含量、形状、尺寸，在基体 中的分布情况等都会对电弧喷溅侵蚀产生影响。第二相对喷溅的影响机理主要体 现在两个方面：一是对电弧本身的影响，如第二相分解吸收电弧热量起消弧作用， 因此熔池小，并且温度低使熔池粘度高，不易喷溅；二是对熔池粘度的影响，第 二相的含量、分布、形状与尺寸等因素直接影响着熔池的粘度。 a g c d o 材料由于第二相c d o 分解温度低，对于抗喷溅能力的影响存在这样 的一个矛盾：其一，由于c d o 的分解温度低，在1 3 6 0 时c d o 的分解吸收了大 量的能量，起到灭弧作用，降低了触头表面熔池的粘度，对抗喷溅有利。其二， 第二相热分解使熔池中c d o 组份大量丧失，结果触头表面形成c d o 的低密度层 或a g c d 合金层，使熔池粘度下降，导致抗喷溅能力下降。与c d o