（材料学专业论文）cuti3sic2真空触头材料的制备与电接触性能研究.pdf

中文摘要 触头是在电路控制系统中具有广泛应用的真空开关的核心部件，其性能直接影 响电路系统工作的可靠性与稳定性。目前制备真空接触器触头的材料主要是 w c a g 、w c c u 和w - c u 等，由于触头严酷的工作环境对材料性能有着很高的要 求，现有触头材料都存在着一定的不足，因此研制开发综合性能更高的新型真空 触头材料具有非常重要的现实意义。t i 3 s i c 2 是近年来受到广泛重视的一种新型三 元层状碳化物材料，与目前触头材料中常用的增强相碳化钨相比，其电阻率相当， 热导率和熔点更高，模量和热膨胀系数更接近于金属，比重更轻，同时具有良好 的自润滑性和抗氧化性。因而将t i 3 s i c 2 与c u 进行复合，有望得到一种新型的高 性能触头材料。 本文在高纯度t i 3 s i c 2 粉体合成的基础上，用粉末冶金法制备出t i 3 s i c 2 与c u 的复合材料。通过密度、导电性、抗弯强度等性能测试，x r d 分析、s e m 分析， 研究了烧结温度、保温时间、材料组成对材料性能的影响，探索出制备c u t i 3 s i c 2 复合材料的较佳工艺。应用相应工艺，制备了三种c u t i 3 s i c 2 真空触头并将其加工 成真空灭弧室，测试并研究了三种材料的截流值、分断能力、耐压值、抗烧蚀等 电接触性能。 研究表明，c u t i 3 s i c 2 复合材料最佳的烧结温度为1 0 0 0 、最佳保温时间为 1 2 0 m i n 低于或高于此值，材料性能都有不同程度的降低；采用压力3 0 m p a 、烧结 温度1 0 0 0 、保温时间1 2 0 m i n ，材料组合比例在5 0 至7 0 之间( 铜体积含量) 等工艺，可获得电阻率低于0 1 8 微欧米，强度高于1 1 0 0 m p a 且韧性好的触头材料。 电接触性能试验结果表明，三种c u t i 3 s i c 2 触头材料截流值均低于l 。8 4 a ，截流 性能好于现有的c u w 触头，随着铜含量的增加，平均截流值增大；与c u w 触 头相比，c u t i 3 s i c 2 触头分断能力较高，抗烧蚀性能优异。 关键词：c u t i 3 s i c 2 复合材料，粉末冶金，电阻率，截流值，分断能力 分类号：t b 3 3 3 j 匕立交适太堂亟堂僮! 金塞旦s 工! a bs t r a c t a sc o r ep a r to fv a c u u mc o n t a c td e v i c ea p p l i e di nt h ee l e c t r i cc i r c u i tc o n t r o ls y s t e m w i d e l y ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ev a c u u mc o n t a c ti m m e d i a t e l yi n f l u e n c er e l i a b i l i t y , s t a b i l i t yo fc o n d u c t i o ns y s t e m a tp r e s e n ti nt h ev a c u u m c o n t a c td e v i c e ，t h ec o m m o n l y u s e dw c a g 、w c - c uo rw - c ud on o tm e e tn e e d s ，t h e r e f o r et h ed e v e l o p m e n tf o rh i g h e r q u a l i f i e dn e wv a c u u mc o n t a c tm a t e r i a lh a st h ev e r yv i t a lp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h e t e m a r yc o m p o u n dt i 3s i c 2 h a sb e e n l a y m o r e e n l p h a s i z e a sn e wc o m p o u n d m a t e r i a l s c o m p a r e d w i t hw cw h i c hi sc o m m o n l yu s e da st h ee n h a n c e m e n tp a r to ft h e e l e c t r i c a lc o n t a c tm a t e r i a l s ，t i 3 s i c 2h a ss i m i l a re l e c t r i c a lr e s i s t a n c e ，b e t t e rt h e r m a l c o n d u c t i b i l i t ya n dh i g h e rm e l t i n gp o i n t i t se l a s t i c i t ym o d u l u sa n dc o e f f i c i e n to f t h e r m a l e x p a n s i o na r em o r ea d j a c e n t t om e t a l ，a n di th a sl o w e rs p e c i f i cg r a v i t y ，i t s s e l f - l u b r i c a t i o na n da n t i o x i d a t i o np r o p e r t i e sa r eb e t t e r b e c a u s eo ft h e s ea d v a n t a g e s ，i t i sh o p e f u lt ob eu t i l i z e da sn e we l e c t r i c a lc o n t a c tm a t e r i a l sw i t hh i g hp r o p e r t i e s o nt h eb a s i so fh i g hp u r et i 3 s i c zp o w d e r sp r e p a r a t i o n ，w ep r e p a r e dc u t i 3 s i c 2 c o m p o s i t e st h r o u g hh o t - p r e s sp r o c e s s w e t e s ti t sd e n s i t y ，e l e c t r i cc o n d u c t i v i t y ，f l e x u r a l s t r e n g t ha n ds oo n ，a n dw es t u d yt h ec o m p o s i t e st h r o u g hx r d ，s e m w es t u d i e dt h e i n f l u e n c eo fs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，s o a k i n gt i m ea n dm a t e r i a lc o m b i n a t i o np r o p o r t i o no n t h em a t e r i a lp e r f o r m a n c e ，a n d e x p l o r et h eg o o d c r a f tu s e dt o p r e p a r e t h e c u t i 3 s i c 2 c o m p o u n dm a t e r i a l s u s i n gc o r r e s p o n d i n gc r a f t ，w ep r o c e s s e dt h r e ep a i ro f v a c u u mc o n t a c t sa n dp r o d u c e dt h e i rv a c u u mi n t e r r u p t e rc h a m b e r s f i n a l l yw e t e s t e da n d s t u d i e dt h r e ev a c u u mi n t e r r u p t e rc h a m b e r sp e r f o r m a n c e ：c h o p p i n gc u r r e n tl e v e l ，c u r r e n t b r e a k i n ga b i l i t y , p r e s s u r er e s i s t a n c ev a l u e ，a n t i a b l a t i o n t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e dt h a t10 0 0 i st h eb e s ts i n t e r i n gt e m p e r a t u r ef o rt h e c u t i 3 s i c 2c o m p o u n dm a t e r i a l s ，a n d1 2 0 m i ni st h eb e s ts o a k i n gt i m e w h e ns i n t e r i n g t e m p e r a t u r ei sl o w e rt h a no rh i g h e rt h a n 10 0 0 * ca n ds o a k i n gt i m ei sl o w e rt h a no r h i g h e rt h a n1 2 0 r a i n ，t h em a t e r i a lp e r f o r m a n c et h em a t e r i a lp e r f o r m a n c er e d u c e ；t o a p p l y5 0 v 0 1 一6 0 v 0 1 c ui nt h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r e10 0 0 * c ，p r e s s u r e3 0 m p aw i t h s o a k i n gt i m e12 0 r a i nv a c u u mc o n d i t i o n ，w ep r e p a r e dt h ec u t i 3 s i c 2c o n t a c tm a t e r i a l w h o s ee l e c t r o n i cr e s i s t i v i t yi sl o w e rt h a n0 18 4 p q 。m ，a n dw h o s ef l e x u r a ls t r e n g t hi s h i g e rt h a nl10 0 m p a t h ee l e c t r i c a lp i c k o f f t e s t i n gs h o w t h a tt h ec h o p p i n gc u r r e n tl e v e l o fc u t i 3 s i c 2c o n t a c tm a t e r i a li sl o w e rt h a n1 8 4 aa n d b e t t e rt h a nc u - wc o n t a c t m a t e r i a l c o m p a r e dw i t hc u - wc o n t a c tm a t e r i a lt h eb r e a k i n gc a p a c i t yo fc u t i 3 s i c 2 j 量塞交道太堂亟堂僮i 佥塞垦s 工k g ! c o n t a c tm a t e r i a li sh i g h e r ，t h ea n t i a b l a t i v ep e r f o r m a n c ei so u t s t a n d i n g k e y w o r d s ：c u t i 3 s i c 2c o m p o u n dm a t e r i a l s ，p o w d e rm e t a l l u r g y ，e l e c t r o n i c r e s i s t i v i t y ，c h o p p i n gc u r r e n tl e v e l ，c u r r e n tb r e a k i n gc a p a c i t y c l a s s n o ：t b 3 3 3 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：除j | 对踌 签字日期： 如听年6 月厂同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 学位论文作者签名：蔗树涝 签字日期：2 0 0 1 年彳月i ，同 导师签名： 闰淬 签字日期：劲q 年莎月5 日 ， 致谢 本论文的工作是在我的导师周洋教授的悉心指导下完成的，周教授严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来周老师 对我的关心和指导。 感谢国家自然科学基金项目( 5 0 6 7 2 0 0 5 ) 对本论文科研活动的资助。 翟洪祥教授、李世波副教授、张志力副教授、李翠伟副教授对于我的科研工 作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，黄振莺、贾晓伟、王占永、严世韬、赵鸿滨、 路金蓉、孙建军等同学对我的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感 激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1引言 1 1课题的研究价值 随着物质文明的发展，人们对电力的依赖程度与需求量与日俱增，作为用来 频繁地通断电路的丌关设备在人们的日常生活、生产中具有重要的战略地位。在 在诸多的电器开关设备中，真空接触器性能优异，倍受人们青睐。其主要特点有： 结构紧凑，体积小，质量轻，动作快，分、合闸所需功率小；电气、机械寿命 长，维修工作量少；开断容量大，允许开断次数多，适合于频繁启动的场合； 不产生高压气体及有毒气体，无火灾及爆炸危险，不污染环境。真空接触器因 其具有这样优异的性能在人们的生产生中占有重要的战略地位。其广泛用于中压 开关设备、带电磁操动机构的三极接触器、开合户内设备的交流负载，电动机起 动器等设备中，除此之外，真空接触器还可和短路限制装置( 例如熔断器) 连接组成 f c 回路，应用在高短路功率等级的系统中【2 】。 触头是真空接触器的核心部件，担负着接通、承载和分断电流的任务。其性能 直接影响着传导系统工作的可靠性、稳定性和精确性【3 】。触头的性能主要取决于制 作该触头的触头材料。目前用来制作触头的材料主要有银基触头材料和铜基触头 材料两大类。银基触头材料性能较好，但因使用了贵金属银而使成本大大提高， 国外主要用于较重要的真空接触器中，国内很少使用；目前国内普遍使用铜基触 头材料包括c u w 、c u w c 、c u w c w 等材料，但这些触头材料在性能上都劣于 银基材料，难以满足需要。在这种背景条件下，迫切需要研发一种成本较低而性 能又十分优异的材料。 1 2 真空接触器触头材料国内外研究现状 1 2 1 真空接触器的结构与工作原理 如图1 1 所示为真空接触器的剖面图，1 为静触头杆，它的主要作用是连接静 触头；2 # j 蒸汽凝结罩，它的作用是将触头接触、分断过程种产生的金属蒸汽迅速 凝结，保证真空室的真空度；3 为触头，分为动、静触头两部分，上部为静触头， 位置固定，下面为动触头，可通过动触头杆而实现上下移动，触头是整个接触器 的核心，其它的一切部件都是直接或间接为其服务的；4 为真空腔，是由绝缘陶瓷 围成的圆柱形密室、其作用是维持触头正常工作状态下所需的真空度；5 为波纹管 它的主要作用是防止在动静触头杆在上下移动中空气的进入，维持4 真空腔的真空 度；6 为动触头杆、其主要作用是固定动触头、为动触 头的上下移动提供动力：7 为传动杆导筒，其主要作用 保证动触头杆上下移动时的方向性；8 为底座，固定整 个接触器；9 为开关底部；1 0 绝缘管壁，由陶瓷做成， 围成密封腔；1 1 观察窗；1 2 密封圈；1 3 开关顶部。 分断时，动触头杆向下移动，随着动、静触头的 逐渐分丌，动静触头之问的空气被击穿而产生电弧， 电弧撞击触头工作表面产生大量的热量，促使金属蒸 汽的产生，产生的金属蒸汽被迅速扩散到真空腔内、 并在真空凝结罩的作用下迅速凝结，从而使整空腔内 的介质得以迅速恢复，防止因金属蒸汽密度过大而出 现电弧不熄灭的现象，影响分断，当动静触分开一段 距离以后，金属蒸汽的密度不足以维持电弧时，电路 图1 1 真空接触器示意图 【4 l 就实现了成功断丌；接通时、动触头杆向上移动、动静触头慢慢接近产生类似于 动、静触头分开过程中的现象。 1 2 2 真空触头材料的性能要求 理想的真空触头应具有以下性能：( 1 ) 大的分断电流能力；( 2 ) k f 靠的抗熔焊性 能；( 3 ) 低的电弧烧损率；( 4 ) 高的耐电压强度；( 5 ) 低的截流值。前三者要求材料具 有较高的熔沸点、较高的硬度、高温强度、好的电导率和热导率；后两者要求材 料具有较低的熔沸点。 分断过程如下：接触面上的收缩电阻表达式如下【5 】： 脚辱e ( 适肝弹性变形阶段) 尺p 悟( 适用于塑陛变形阶段) p 一材料的电阻率。 e 一弹性模量； 孝一与塑性变形有关的系数，可取三1 ； 刀一接触点数5 f 一接触压力。 2 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 当开断电流、触头分开时，接触压力f 、接触点的数量1 3 减少，收缩电阻r 增大， 接触点的温度急剧升高，此时部分原子可能产生热电离；触头刚分离时，间隙距 离很短、电场强度很高，这些因素促使真空电弧的形成。电弧的形成、因接触电 阻的增大产生触头的温升会使触头表面温度急剧升高。若触头材料的热导率较低、 熔沸点较低就会产生大量的金属蒸汽，金属蒸汽的密度增大，会延长真空电弧的 持续时间、甚至会产生电弧重燃现象，影响触头的成功分断；产生的热量较多、 热量导出的速度太慢、材料的熔沸点低，会使触头表面烧蚀严重、产生蚀坑，影 响触头使用寿命，严重时可能会造成触头焊合。较高的熔沸点、好的电导率和热 导率可减少以上三种情况产生的机率，提高触头的分断能力、抗熔焊性能、和抗 烧蚀能力。较高的硬度可避免触头材料熔化后毛刺的产生，维持触头表面的平整 度。 截断电流( 截流值) 是开关电路中的一个普遍关注的技术指标，当交流电路 中的电流过零时，电弧产生的金属蒸汽也急剧减少，当金属蒸汽下降到一个临界 水平，真空电弧便不能支持自己( 这是因为维持真空电弧必须有足够多的金属蒸 汽 6 1 ) 这时电流突然截断为零，这种电流的快速变化使电流变化率( - 4 i 么t ) 的数值 非常高，在电感线圈中将产生非常高的自感电动势 l ( a i a 0 】，该自感电动势就 直接导致了真空开关分断电感电流时产生的截流过电压。截流过电压易使触头间 隙击穿，使触头丧失绝缘性，影响触头的开断。降低截流值需要足够的金属蒸汽 以维持真空电弧，这就要求材料有较低的熔点、沸点的元素。 ( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 与( 4 ) 、( 5 ) 对材料熔沸点要求不同，为解决这一对矛盾可采用复 合材料的方法，使用高熔沸点与低熔沸点相符合的材料。高熔点的材料可防止金 属蒸汽密度的增大，防止电弧的密度的扩大，维持触头的高温硬度，可有利于提 高触头的分断能力、电弧烧蚀能力、抗熔焊能力；低熔点元素可提供维持真空电 弧所需的金属蒸汽，减缓电弧熄灭的时间，可有利于降低截流值、提高耐压值。 低熔沸点的元素沸点越低、高熔沸点的元素沸点越高，越有利于触头综合性能的 提高。在提高触头综合性能方面好的的电导率、热导率是必不可少的，这不仅是 分断能力、抗熔焊性能、抗烧蚀能力所必需的，也是维持触头材料寿命、提高触 头的导电性能所必需的。此外材料电阻的稳定性、高温稳定性、抗热震性、高温 强度、疲劳强度、耐磨性、低的密度、好的加工性能等也是相当重要的。 1 2 3 主要触头材料及性能 常用的触头材料可分为银基和铜基两大类银基触头材料和铜基触头材料。 1 ) 银基触头材料 3 a g m e o 系，a g n i 系，a g c 系以及a g w a g w c 系被认为最有使用价值的 四种银基触头材料。 a g m e o 触头材料是弥散的氧化物颗粒分布于银基体中的一种材料，是低压电 器领域中最常用的银基复合触头材料【7 】。其显著特点是：接通电流可达5 0 0 0 a ，有 比a g ，a g c u ，a g n i ，a g w 更好的抗熔焊性和抗电弧侵蚀性，导热率及导电率与纯 银相比降低较小【8 - 1 0 。a g m e o 触头材料的典型代表是a g c d o 合金，它具有优良的 灭弧性能、抗电弧侵蚀性、抗熔焊性和较低的接触电阻等优点，具有“力能触点” 之称，应用极为广泛。但是，a g c d o 材料在制造和使用过程中不可避免地产生“镉 毒”，为了寻找能够替代a g c d o 的材料，各国进行了广泛深入的研究，经过多年 努力，人们研制了a g z n o ，a g c u o ，a g n i o ，a g s n 0 2 等系列银会属氧化物( a g m e o ) 触头材料。在这些a g m e o 材料中最有希望代替银氧化镉材料的是银氧化锡材料。 这是因为与a g c d o 相比，a g s n 0 2 具有较低的抗熔焊力【l l 】、较低的侵蚀量【1 2 - 1 3 、 较高的稳定性、较高的耐磨性、较高的使用寿命【1 4 】等优点，但是a g s n 0 2 比a g c d o 接触电阻高，触头温升大 1 5 - 1 7 】。为降低a g s n 0 2 的电阻，目前常采用的方法是： 对s n 0 2 进行掺杂，通过添加微量元素，将绝缘的s n 0 2 改性为导电s n 0 2 ；是在 s n 0 2 粒子表面包覆一层完整的银 1 8 - 2 0 】。 a g w 系电触头材料自年问世以来一直广泛地用于自动开关以及大容量断路器、 塑壳断路器中。它具有热、电传导性和耐电弧腐蚀性良好，金属迁移的熔焊趋势 小等优点。其主要缺点是接触电阻不稳定。因此，近年来国外对银钨的研究，较 多地放在改善其接触电阻方面1 2 m 2 1 。 a g w c 触头材料是一种性能较好的材料，截流值低是a g w c 触头材料一大特 点。影响截流值的因素主要有银的含量和材料的粒度。一般来说随着a g 的含量增 力i i a g w c 触头材料截流值增加， s t e f a n t e m b o r i u s 等【2 3 】认为粒度为3 u m 左右时材料 的截流值比较理想。另外，a g w c 的烧损率随着随着a g 含量增加而增加，并与粒度 的大小息息相关【2 4 1 。 a 斟i 触头材料具有良好的导电、导热性，接触电阻低而稳定，并且电弧在其 表面运动性好，弧根能够迅速移动而不会停滞灼烧，电腐蚀小且均匀，同时材料 本身机械加工性良好，成本低廉；但是，a g n i 材料抗熔焊性能较差，特别是在有 浪涌电流存在或高温环境条件下，a g n i 槲f f 较易发生熔焊【2 5 1 。 2 ) 铜基触头材料 铜基触头材料主要有c u w 系、c u w c 系、c u w - w c 系、c u c r 系。 c u w 系电触头材料是由高熔点、高硬度的钨和高导电、导热容，并有较高分 析能力的铜而构成的合金。该系合金触头材料具有良好的耐电弧侵蚀性、抗熔焊 性和高强度等优点【2 l 】。但是它的截流值较高，虽然添加少量的s b 、b i 等低熔点金 4 属在运行开始阶段，可起到降低截止电流的作用。但是当触头表面上的低熔点元 素大部分被蒸发后，截流值将出现反弹。 为了克服c u w 材料的这些不足之处，日本、西德、英国等国家研究了c u w c 触头材料。由于w c 的存在，在开断小电流时能延长电弧熄灭的时间，而且抗熔 焊性能也好，但c u w c 材料的分断能力和电寿命较c u w 触头材料差【2 6 1 。 c u w - w c 触头材料结合了c u w 、c u w c 材料之优点，具有较高的分断能力、 抗熔焊性能、较低的截流值【2 7 】。这就使该材料既具有c u 的良好导电和导热性，又 具有w 和w c 熔点高、耐电腐蚀性好、抗熔焊能力强等特点，使触头的抗熔焊性 能得到了提高，在分断大电流时不易发生熔焊或产生持续电弧，截止电流平均值 降低至小于2 a 孙j 。 c u c r 合金触头是在众多的电触头材料中，被人们所看好的系列，这是因为 c u c r 合金的优越性尤为突出。在此合金的组合中，c u c r 合金具有良好的导热、导 电性，为触头大的工作电流和开断能力提供了保证，而c u c r 相对较高的熔点和硬 度保证了触头有较好的耐压和抗熔焊性能【2 1 1 。虽然c u c r 触头材料有优良的抗电弧 烧蚀能力、抗熔焊性能、分断能力，但是c u c r 触头的截流值较c u w c 、a g w c 为高，需要降低其截流值，主要方法有：( 1 ) 添加金属碳化物( 2 ) 添加金属氧 化物( 3 ) 添加低熔点化合物 1 2 4 真空触头材料的制备工艺 由于目前真空触头所采用的材料均为二元及以上的合金材料，且主元素间要 求具有假合金特性，故在生产制造工艺方面采用了粉术冶金和真空( 可控气氛) 熔炼。 3 ) 熔炼法【2 9 】 普通的电触头材料( 例如a g 、a g p d 合金、a g c d 合金、c u 等) 采用熔炼法制造。 该法需要在真空环境或者保护气氛下进行。该方法的优点是工艺简单、生产周期 较短，适合于高c u 含量c u c r 合金的大规模生产。该方法的主要缺陷是在制备过 程中易产生成分偏析。为减少成分偏析，可采用搅拌铸造的方法。搅拌铸造是指 将增强相陶瓷颗粒加入到高速搅拌的完全或者部分熔化的金属熔体中，然后浇注 成复合材料的一种工艺。但是该种工艺并不能完全消除成分偏析，这是因为搅拌 过程中颗粒易聚集成团，而且在重力的作用下颗粒分层现象不可避免。影响成分 偏析的因素还有桨叶的设计、熔炼温度、搅拌速度、复合材料熔体的流变性能等。 4 ) 熔渗法 熔渗法【3 0 - 3 1 1 是生产难熔金属与低熔点金属假合金的常用方法。该方法的具体 5 工艺步骤是先把高熔点金属粉末压制预烧结( 或粉末烧结) 成多孔体骨架，再将 低熔点的金属置于骨架的上面或下面，在高于该金属熔点温度下，使低熔点金属 熔融渗入到多孔骨架金属中。该类方法可制备高体积分数的复合材料，成形工艺 简单，成本较低。但是采用此类方法复合两种互不湿润的金属时，易产生气孔、 缩松等缺陷。在这种情况下为保证两相的连接，需要借助外部压力使熔融金属渗 入陶瓷预制体，即外压浸渗、法【3 2 】。 5 ) 粉术冶金法 粉末冶金法【3 3 _ 35 1 ，是将金属粉末和增强相陶瓷颗粒经筛分、混合、冷压固结、 除气、热压烧结，以及压力加工后制得复合材料的一种工艺。其工艺流程图如图 1 2 所示。采用粉末冶金法能将不互溶的两种金属或金属与金属化合物或金属与非 金属制成复合物，而且复合物内各组份可按任意比例组合，这是熔炼法所办不到。 另外，采用该方法致密度高达9 9 ，材料的物理机械性能和耐电弧烧损等电性能 大为提高【3 6 】。 图1 2 粉末冶金法制备触头材料工艺流程图 f i g 1 1p r e p a r a t i o np r o c e s so fc o n t a c tm a t e r a lt h r o u g hp o w d e rm e t a l l u r g y 6 ) 内氧化法 所谓内氧化法【3 7 1 ，即金属氧化物是通过一种或多种合金组份在均匀的熔融合 金内部进行选择性氧化。这种合金由一种基体金属( 例如银) 和几种添加金属( 例如 镉) 组成，添加金属含量大大低于基体金属含量。这是制造银一金属氧化物电触头 最常用的方法。内氧化法通常分双面内氧化法和单面内氧化法。 7 ) 电镀法 多数电触头使用贵金属材料的主要原因，是由于贵金属的化学稳定性远比其 它金属优越。但是，贵金属存在材料价格高昂和机构强度低等缺点，因此，在一些 场合，利用电镀技术将贵金属复合在其它金属表面上，既能获得相互补充的综合 性能，还可降低费用。 8 ) 机械合金化法 机械合金化就是两种或多种元素混合粉末通过高能球磨机长时间混合，粉末吸 6 收机械能，承受冲击、剪切、摩擦和压缩等多种力的作用，在球磨介质的作用下 经过反复的挤压、焊合、破碎和断裂等相互结合的过程【3 8 】。 1 3 t i 3 s i c 2 材料的结构与性能 t i 3 s i c 2 是三元层状化合物【4 0 4 1 1 ，其晶体结构属六方晶系，从图1 3 中所示的 t i 3 s i c 2 的晶体结构简图可以看出：t i 3 s i c 2 晶胞可以看成是共棱的t i 6 c 八面体被平 面的平行四边形s i 原子层所分隔，c 原子位于八面体的中心，每一个晶胞中含有 两个t i 3 s i c 2 分子。由于t i 3 s i c 2 晶体中存在t i t i 键和t i s i 键，并且t i s i 键在平 s i t i c 图1 3t i 3 s i c 2 的晶体结构 f i 9 1 3t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo f t i a s i c 2 行与s i 层的区域内形成不定域电子，类似金属中的自由电子，因而具有良好的导 电、导热性，以及其它类似金属的特性；而其类似石墨的层状结构又使其具有一 定的塑性、可加工性、以及非常好的自润滑性能。同时t i 3 s i c 2 还具有陶瓷的低密 度、高模量、高熔点、抗氧化、高强度 4 2 1 、高耐磨和高抗热震性【4 3 1 和高热稳定性 【4 4 】 o t i 3 s i c 2 在许多领域都显示了其良好的应用前景，它在触头领域的应用更显示 其巨大优势。表1 1 列出了t i 3 s i c 2 陶瓷和触头材料中常用的增强相的主要物理性 能对比。从两种碳化物材料的性能对比可以看出，t i 3 s i c 2 的电阻率比w c 低、 t i 3 s i c 2 的熔点、导热率和比热都高于w c ，t i 3 s i c 2 在与铜或银复合后得到的材料 将具有更好的导电率、更低的热烧损率、更好的分断能力；t i 3 s i c 2 具有很好的抗 氧化性和自润滑性，这对于改善触头材料的表面膜电阻特性和抗熔焊性能十分有 7 一 一 一tllil上 利；t i 3 s i c 2 的弹性模量和热膨胀系数都比w c 更接近于金属，更具材料复合原理， 因而与铜或银复合时，两组成分问具有更好的相容性；此外，t i 3 s i c 2 的密度远低 于w c ，因而复合材料的重量将会大大降低，有助于真空开关的轻量化，同时材料 的成本也会大大降低，并节省了重要的战略资源钨。由此可见，t i 3 s i c 2 代替w c 与铜或银制备成新型的触头材料，将可能在多方面改善触头材料的性能4 5 5 2 1 。 表1 1t i 3 s i c 2 与铜基复合材料中常用增强相的性能对比 t a b l e 1 1c o m p a r i s o nb e t w e e nt i 3 s i c 2a n ds o m er e i n f o r c e m e n tp h a s ea p p l i e di n c o p p e r m a t r i xc o m p o s i t e s 1 4 颗粒增强铜基复合材料的性能及复合原理 铜与钛硅碳的复合性能如何，取决于铜基体、钛硅碳性m f i e 匕, 和两者之间界面的 性能，因此，通过建立合适的数学模型能够预测复合材料的某些物理性能，且对 具体实验有一定的参考和指导价值。 混合法则【5 3 1 ，如式1 3 ，是针对复合材料提出的一种最简单的计算模型，它能 预测热膨胀系数、密度、模量、导电率和热导率等性能。 c 【。= v m + v r ( 1 3 ) 其中，0 l 为所研究的性能，v 为体积比，下标m 、r 、c 分别指铜、钛硅碳、复 合材料。 1 - 4 1 热膨胀性能 因触头在温度变化的工作环境中工作。铜与钛硅碳复合后的膨胀系数使我们 研究的重要目标。可用k e n e r 模型5 4 1 来预测铜与钛硅碳复合后的热膨胀系数。如 式1 4 。 砘m v r ( ( , m - o 吓) a b( 1 4 ) a = k m ( 3 k r + 4 1 x m ) 2 + ( k r - k m ) x ( 1 6 1 , t 2 + 1 2 1 t m i - ) b = ( 3 k r + 4 l x m ) 4 v r t a , m ( k r - k m ) + 3 k m l ( f + 4 k j p 为剪切模量，k e n e r 考虑到了基体与颗粒之间的剪切应力，能够进行较好的 预测。 1 4 2 导热性能 良好的热传导性能是触头对材料性能的必然要求，可用r a y l e i g h 模型嗍预测 复合材料的热导率，如式1 3 。 ，p 占 丸“j 诫 一k 小kp ) k 脚kp + 1 ) 1 4 3 导电性能 一k 册kp ) m kp + 1 ) ( 1 5 ) 导电性能是触头材料最主要的性能指标之一，目前在预测导电性能方面，研 究者们多数用w i r i e r 模型来预测复合材料的电阻率5 6 1 ，如式1 6 。 ( o c - o m ) ( o c + 2 6 m ) = v d 6 r 6 m ) “o r + 2 0 m )( 1 6 ) 1 4 4 弹性模量 一般颗粒增强铜基复合材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学指标，可 以用混合模型对其进行预测，如式1 7 。 丽e v e = e e 圪+ 耳 ( 1 7 ) 1 5研究内容和研究目标 1 5 1 研究内容 1 )优化c u t i 3 s i c 2 新型真空触头材料的制备技术。一是，在铜与钛硅碳体积比为 6 ：4 以及烧结温度不变的情况下，变化保温时间，研究不同保温时间对材料性能 9 的影响，确定最佳保温时间参数；二是，在铜与钛硅碳体积比为7 ：3 以及保温时 间不变的前提下，变换烧结温度，研究不同烧结温度对材料性能的影响，确定较 佳烧结温度参数；三是，在烧结温度以及保温时间不变的前提下，变换铜与钛硅 碳的组合比例，研究铜与钛硅碳不同组合比例对材料性能的影响，确定可用的铜 与钛硅碳不同组合比例。 2 )根据优化的工艺，制备了三种c 胛i 3 s i c 2 真空触头，然后按照接触器触头尺寸 对其加工，并将其加工成灭弧室。制备完真空灭弧室，对真空灭弧室的电接触性 能一截流值、分断能力、耐压值、抗烧蚀能力、抗熔焊性能进行测试，并对测试 后的电接触性能进行研究。 1 5 2 研究目标 1 )研究不同工艺参数对c u t i 3 s i c 2 真空触头材料性能的影响。在高纯度t i 3 s i c 2 粉体合成的基础上，将其与铜进行复合，改变铜与钛硅碳的体积比，烧结温度、 保温时间、压力等参数。测试不同工艺参数下c u t i 3 s i c 2 复合材料的导电性、抗弯 强度，并对复合材料进行x r d 、s e m 分析，研究c u t i 3 s i c 2 复合材料的性能与制备 工艺关系。 2 )研究c u t i 3 s i c 2 真空触头的电接触性能与组分的关系。对不同成分组成的触头 进行电接触实验、测试其截流值、分断能力、抗烧蚀能力。并对触头材料进行x r d 、 s e m 分析，研究c u t i 3 s i c 2 触头材料的性能、成分、组织、工艺之间的关系。 1 6 本研究的创新性 目前国内普遍使用铜基触头材料包括c u w 、c u w c 、c u w c w 、c u c r 、c u f e 等材料，未见将c u t i 3 s i c 2 铜复合作为触头材料的报道，因此本课题是首次把钛硅 碳铜复合材料引入真空接触器中，是一项具有自主知识产权的创新性工作。 l o 2实验方法 2 1引言 本章主要从宏观上介绍了本论文的主要工作步骤( 技术路线) 、实验原料与仪 器、c u t i 3 s i c 2 真空触头材料的制造方法、c u t i 3 s i c 2 真空触头材料的密度、电阻率、 弯曲强度等性能的测试方法、c u t i 3 s i c 2 真空触头的电接触性能一截流值、分断能 力、耐压值、抗烧蚀能力的测试方法。 2 2实验方法 2 2 1 技术路线 本论文的主要工作分为三个步骤，首先，以制备导电性能、力学性能优良的 材料为准绳，探索c u t i 3 s i c 2 真空触头材料较佳的成分与制备工艺，然后，根据探 索出的触头材料的成分与工艺制备真空触头与真空灭弧室，最后测试c u t i 3 s i c 2 真 空触头的电接触性能，并对测试后的电接触性能进行理论分析。本研究所采用的 技术路线图如图2 1 。 根据前言所述可知，与制备触头材料的熔炼法、熔渗法、内氧化法相比粉末 冶金法具有操作简便、成分均匀性易得到控制、可以将互不浸润的两种金属以任 意比例组合、致密度高等优点，因此，本文采用粉末冶金法制备c u t i 3 s i c 2 真空触 头材料。又根据前言可知，触头材料的各项性能指标都要求材料具有较好的物理、 力学性能，为得到物理、力学性能较好的c u t i 3 s i c 2 真空触头材料，本实验就对烧 结温度参数、保温时间参数和铜与钛硅碳组合比例参数的变化对材料性能的影响 进行了研究，确定了制备铜与钛硅碳触头材料较好的保温时间、烧结温度、铜与 钛硅碳组合比例等工艺参数。在这方面主要做了三方面的工作：一是，在铜与钛 硅碳体积比为7 ：3 以及保温时间不变的前提下，变换烧结温度，研究烧结温度对 材料性能的影响，确定较佳烧结温度参数；二是，在铜与钛硅碳体积比为6 ：4 以 及烧结温度不变的情况下，变化保温时间，研究保温时间对材料性能的影响，确 定最佳保温时间参数；三是，在烧结温度以及保温时间不变的前提下，变换铜与 钛硅碳的组合比例，研究复合材料组分对材料性能的影响，确定铜与钛硅碳可用 的组合比例。 根据优化的工艺，制备了三种c u t i 3 s i c 2 真空触头，主要工艺参数：铜与钛硅 碳体积比为5 ：5 ，6 ：4 ，7 ：3 ，烧结温度1 0 0 0 * c ，保温时间2 4 , 时，压力3 0 m p a ， 制备好真空触头以后，将其加工成灭弧室。 制备完真空灭弧室，对真空灭弧室的电接触性能一截流值、分断能力、耐压 值、抗烧蚀能力、抗熔焊性能、电寿命进行测试，并对测试后的电接触性能进行 研究，研究性能与组织、成分之间的关系。 计划 计算配比、混 料，确定工艺 装模烘干 烧结 测试t i 3 s i c 2 c u 材料的性能 反馈工艺 电 导 率 测 试 电接触 性能 测试 t y 抛光 制触头 x r d s e m 分析 探索出好的烧结 t i 3 s i c 2 - - c u 材料参数 图2 1 本课题技术路线图 f i g 2 1t h ep r o c e s so ft h i st o p i ct e c h n o l o g y 2 2 2 实验原料和仪器设备 实验所用原料有t i 3 s i c 2 粉和c u 粉，其纯度、粒径、来源如表2 1 所示。 表2 1 原料的纯度、粒径、来源 t a b l e 2 1p u r i t y ；, p a r t i c l es i z ea n ds o u r c eo fm er a wm a t e r i a l su s e d 1 2 分析电接触性能与应用参数之间的关系 分析电接触性能与材料组织成分问的关系 从烧结前t i 3 s i c 2 粉体的衍射图2 2 可以看到，本实验所用的t i 3 s i c 2 原料粉体 具有较高的纯度，仅有少量的t i c 杂质。另外为了得到具有细小均匀的内部晶粒 的c u t i 3 s i c 2 复合材料，将粉碎后的t i 3 s i c 2 粉体放入球磨机上研磨4 8 小时，得到 颗粒平均直径为3 1 t m 的粉体，如图2 3 。t i 3 s i c 2 和c u 的混料，需要将二者放入尼 龙罐中，在滚筒机上球磨4 8 小时，以保证二者均匀混合。 2 0 ( d e g ) 图2 2t i 3 s i c 2 粉体的x 射线衍射图谱 f i g 2 2x r dp a t t e r n so ft h et i 3 s i c 2p o w e r 图2 3t i 3 s i c 2 粉体的粒度分布 f i g 2 3p a r t i c l es i z e d i s t r i b u t i o no f t i 3 a 1 c 2p o w d e r 实验所用主要仪器设备有： 1 )分析天平：梅特勒一托利多仪器( 上海) 有限公司，型号为a e 2 0 0 ；可读