（材料加工工程专业论文）cuwcr复合材料组织演变及其对电性能的影响.pdf

摘要 论文题目：c u w c r 复合材料组织演变及其对电性能的影响 学科专业：材料加工工程 研究生：杨晓康 指导教师：范志康教授 肖鹏讲师 摘要 签名： 主圭! 銎庭 签名：茎兰盏 签名： 壹! 鱼 c u c r 合金是目前世界上大功率真空开关触头的主导材料，具有高的强度和硬度，良 好的导电导热及耐电弧侵蚀能力。c u w 合金具有良好的耐电弧侵蚀性、抗熔焊性能和高 强度等优点，被广泛地用作为各种高压断路器中的触头材料、电火花加工的电极材料。随 着真空开关向高电压、大容量、小型化的发展，c u c r 合金己不能满足高电压、大电流真 空断路器对触头材料的要求。目前开发新触头材料的方法主要为改善原有触头材料的制各 工艺和在c u c r 、c u w 中添加其他元素以改变触头材料的性能。c u w c r 复合材料是由c u 、 w 、c r 三组元组成的合金，通过研究其组织及其性能，旨在将其广泛应用于高电压、大 电流真空断路器中。本文采用烧结熔渗法制备c u w c r 复合材料，研究了烧结温度变化、 c r w 配比变化以及热处理对材料显微组织、硬度、电导率以及耐电压强度、截流值、电 弧寿命等性能影响，结果表明： 1 随着烧结温度的升高，c r w 固溶程度逐渐增大，在烧结温度为1 4 5 0 1 2 后基本形成 c r w 固溶体； 2 随着烧结温度升高，c u w c r 复合材料硬度增加，电导率降低：对烧结温度不同的 材料进行真空电击穿实验，发现随着烧结温度的升高，电弧烧蚀面积明显减小，烧蚀坑变 浅；而且，材料的耐电压强度升高，电弧寿命增大，截流值减小，在烧结温度为1 4 5 0 。c 后，各项电性能参数已达到较高水平，其中截流值趋于稳定，综合考虑认为烧结温度选择 1 4 5 0 比较合理； 3 当w 0 ，“1 3 5 时，c r 与w 形成c r 原子与w 原子比为1 ：1 的c r w 固溶体， 当w 0 w t w 1 3 5 时，形成以c r 为主的c r w 固溶体；反之，形成以w 为主的c r w 固 溶体。随着c r w 质量配比的增大，c u w c r 复合材料的硬度增大，电导率降低；真空电击 穿实验后发现，c u w c r 复合材料的击穿区域面积逐渐变大，击穿坑逐渐变浅；材料的耐 电压强度逐渐升高，电弧寿命逐渐增长，截流值逐渐减小； 4 经固溶处理的c u w c r 复合材料，随着固溶温度的升高，硬度值上升，电导率下 西安理工大学硕士学位论文 降；再经时效处理后，硬度值和电导率较固溶处理都有很大程度的增加；固溶处理后的 c u w c r 复合材料耐电压强度最大，电弧寿命最长，截流值最低；固溶+ 时效处理后的 c u w c r 复合材料的耐电压强度最小，电弧寿命最小，截流值最大； 5 当c u w c r 复合材料在1 0 0 0 固溶2 h ，然后5 0 0 时效处理3 h 后，材料的硬度和 电导率达到最大值。 关键词：c u w c r 复合材料，组织演变，硬度，电导率，真空击穿性能 i l a b s l r a c t t i t l e ：t h em i c r o s t r u c t u r ee n v o l u t i o no fc u w c rc o m p o s i t e a n di t se f f e c to ne l e c t r i cp r o p e r t i e s m a j o r = m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：x i a o k a n gy a n g s u p e r v i s o r ：p r o f _ z h i k a n gf a n t e c h p e n gx i a o a b s t r a c t s i g n a t u r e ：堕神 s i g n a t u r e ：丞 s i g n a t u r e ：卫归 c u c ra l l o yi st h ed o m i n a n tc o n t a c tm a t e r i a lf o ru s ei nh i g h - - p o w e rv a c u l l l ni n t e r p m t e r b e c a u s eo f i t sh i g h - s t r e n g t ha n dh a r d n e s s g o o de l e c t r i cc o n d u c t i v i t y 够w e l la se n d u r a n r e s i s t a n c et oa r ce r o s i o n c l l - wa l l o yi sw i d e l yu s e da se l e c t r i c a lc o n t a c tm a t e r i a li n 、 v o l t a g ei n t e r r u p t e r sa n da se l e c t r o d em a t e r i a lf o re l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，d u e a d v a n t a g e so fh i g hs t r e n g t h , e x c e l l e n tr e s i s t a n c et oa r ce r o s i o na n dw e l d i n g h o w e v c t h ed e v e l o p m e n to fi n t e r r u p t e r st of i th i g h - p o w e r , h i g hc a p a b i l i t ya n dm i n i a t u r i z a t i o n , a l l o yc a nn o tm e e tt h ed e m a n do fh i g h - v o l t a g e ，h i g h - c u r r a n ti n t e r r u p t e r s r e c e n t l y , t h , m e t h o dt od e v e l o pn e wc o n t a c tm a t e r i a l si st oi m p r o v et h ep r e p a r a t i o nc r a ro fo l dc o n t a c t m a t e r i a l sa n dt oa d ds o m ea d d i t i v e st oc u c ra l l o ya n dc u - wa l l o yt oe n h a n c es o m es i n g l e p r o p e r t y t h r o u g hi n v e s t i g a t i o no f m i c r o s t m c t u r ea n dp r o p e r t i e s ，i ti se x p c ：c t c dt h a tt h ea l l o y c a nb eu s e di n t h eh i g h - v o l t a g e ，h i g l l - c m r r e n tv a c u u mi n t e r r u p t e r s c u w c rc o m p o s i t e m a t e r i a lw c l ep r e p a r e db yp o w d e rm e t a l l u r g y - i n f i l t r a t i o n t h ee f f e c to f s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ， c r wm a s sp r o p o r t i o na n dh e a tt r e a t m e n to nt h et h em i c r o s m m m m ，h a r d n e s s ，e l e c t r i c c o n d u c t i v i t ya n ds o m ev a c b u mb r e a k d o w np r o p e r t i e ss u c ha sb r e a k d o w ns t r e n g t h , c h o p p i n g c u r r e n ta n dt h el i f eo f v a c u u ma r cw e t ci n v e s t i g a t e d f r o mt h o s ei n v e s t i g a t i o n s t h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n sc 鼬b ed r a w n ： 1 w i t hi n c r e a s eo f s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，t h es o l i ds o l u b i l i t yi n c r e a s e dg r e d 吣w h e n t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r er e a c h1 4 5 0 ，c ra n dwc a nf o r m e dc r ws o l i ds o l u t i o n ； 2 w i t hi n c r e a s eo fs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，t h eh a r d n e s so fc u w c rc o m p o s i t em a t e r i a l i n c r e a s e sa n dt h ee l e c t r i cc o n d u c t i v i t yd e c r e a s e s a f t e rt h ev a c u u m e l e c t r i cb r e a k d o w no f c u w c rc o m p o s i t em a t e r i a l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea r e ao fb r e a k d o w np i tb e c o m es m a l l e r a n ds h a l l o w e r 、 r i t l li n c r e a s eo fs i n t e d n gt e m p e r a t u r e m e a n w h i l e t h eb r e a k d o w ns t r e n g t h m 西安理工大学硕士学位论文 i n c r e a s e s ，t h ea r cl i f ep r o l o n g sa n dt h ec h o p p i n gc u r r e n td e c r e a s e so b v i o u s l y s ot h e1 4 5 0 1 2 i st h eb e s ts i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ； 3 w h e n t h er a t i oo f c r m a s s f l a c t i o n t o t h e w m a s s f r a c t i o n i s a p p r o x i m a t e l yl ：3 5 。( r a n dww i l lf o r mc r l i ) l ，s o l i ds o l u t i o nw i t h1 ：1a t o mr a t i o w h e nt h er a t i oo f c rm a s sf r a c t i o nt o t h ewm a s sf r a c t i o ni sa b o v e1 ：3 5 c r ws o l i ds o l u t i o nw i t hb i g hc rc o n t e n ti sf o r m e d ht h e c o n t r a r y , c r ws o l i ds o l u t i o nw i 血h i 吐wc o n t e n ti sf o r m e d w i t hi n c r e a s eo fc r 用m a s s f r a c t i o n , t h eh a r d n e s so fc u w c rc o m p o s i t ei n c r e a s e s , w h e r e a st h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y d e c r e a s e s t h ev a c u u me l e c t r i c a lb r e a k d o w ne x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eb r e a k d o w n a r e ag r a d u a l l yi n c r e a s e s a n db r e a k d o w np i tb e c o m e ss h a l l o w e r t h eb r e a k d o w ns t r e n g t h g r a d u a l l yi n c r e a s e s t h e 嫩l i f ei n c r e a s e sa n dc h o p p i n gc u r r e n td e c r e a s e s ； 4 t h eh a r d n e s so fc u w c rc o m p o s i t em a t e r i a li n c r e a sw i t hi n c r e a s eo fs o l u t i o n t e m p e r a t m e , t h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yd e c r e a s e s s u b s e q u e n ta g j n gt r e a t m e n ts h o w st h a t , c o m p a r e dw i t ht h o s eo fc u w c rc o m p o s i t em a t e r i a lw i t ho n l ys o l u t i o nt r e a t m e n t , b o t ht h e h a r d n e s sa n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yi n c r e a s es i g n i f i e e n t l y n 峙c u w c rc o m p o s i t em a t e r i a l a f t e rs o l i ds o l u t i o nt r e a t m e n th a st h eb i g g e s tb r e a k d o w na r e n g t h , t h el o n g e s ta r cl i f ea n dt h e l o w e s tc h o p p i n gc u r r e n t h o w c v e l , t h o s ec o u n t e r p a r tv a l u e sh a v et h et o t a lo p p o s i t er e s u l t s a f t e rs o l i ds o l u t i o n + a g i n gt r e a t m e n t ； 5 t h em a x i n a u n lh a r d n e s sa n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo f c u w c rc o m p o s i t em a t e r i a lc a l l b eo b t a i n e d 砒1 0 0 0 s o l u t i o n , h o l d i n gf o r2 ha n d5 0 0 a g i n g , h o l d i n gf o r3 h k e y w o r d s ：c l l w c rc o m p o s i t em a t e r i a l ；m i e r o s t r u c t u r e e v o l u t i o n ；h a r d n e s s ；e l e c t r i c c o n d u c t i v i t y ；v a c u u i l lb r e a k d o w np r o p e r t i e s 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论述的工作和成 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：21 圭竖。坪，月7 日 学位论文使用授权声明 本人i 鱼! ! 整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，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人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) 论文作者签名：圭圭! 查鏖，导师签名：益墨垄。7 年；月，日 1 前言 1 前言 1 1 选题背景及意义 随着科学技术的飞速发展。全面推动了我国各类工业发展。根据国家电力发展计划， 将在“十一五”期间每年平均投入装机容量3 3 0 0 k w 。计划到2 0 1 0 年总装机容量可达到6 亿k w ，2 0 2 0 年要求到9 5 亿k w 1 1 1 。这就对输电设备中的最主要的部件一断路器提出 了更高的要求。 按照断路器的灭弧介质，主要可以分为油断路器、压缩空气断路器、真空断路器和 s f 6 断路器t 2 1 a6 0 年代初期，s f 6 断路器和真空断路器同步进入电力系统，逐步淘汰油断 路器和压缩空气断路器，占领了整个高压电力系统t 3 1 e 国内高电压大电流( 4 0 k a ) 断路器主要为s f 6 断路器，因为s f 6 气体的排放会加剧 温室效应，虽然其不会破坏臭氧层，但对全球气候变暖有特别大的影响。在日益注重环境 保护、生态平衡、资源的有效利用以及人与自然的协调发展的现代社会中，其使用受到了 越来越严格的限制r 4 卯。因此，研究的重点就自然落到了真空断路器上。 真空断路器以高真空为灭弧和绝缘介质，触头与灭弧系统简单，具有使用寿命长，检 修间隔时间长，易于维护，适合频繁操作等特点，而且使用安全，防火防爆，可靠性高t 6 。 发达国家在上个世纪就已经开始研制开发高电压大电流真空断路器9 7 1 。在国内，西安高 压电器研究所和其它几大高压开关生产厂家相继开展了这方面的研究，取得了一些进展， 但与发达国家的差距仍然比较大，距离实际应用相差甚远。其主要原因在于：国内开发的 高电压大电流真空断路器的核心部件一灭弧室整机依赖进口，这不仅大大增加了生产成 本，而且使得国产断路器与国外同类产品的竞争中毫无优势。 触头材料是灭弧室的最关键部件之一，它承担着接通、承载和分断电流的任务1 8 , 9 , 1 0 1 。 国内灭弧室与国外的差距主要在于所使用的触头材料无法满足灭弧室的要求。因此，开发 适合高电压大电流真空断路器使用的触头材料势在必行。高电压大电流真空断路器的工作 原理要求所使用的触头材料同时具有耐电压强度高，分断能力好且截流值低等优良的综合 性能1 。 早期的真空开关几乎全部采用w 、m o 等难熔纯金属作触头材料“”。这类触头材料 由于有一系列优点，如有适当的分断能力、良好的耐压强度和抗熔焊性、适当的热传导系 数和导电率、燃弧时烧蚀速度小、触头使用寿命长等，直到现在还被广泛地用于分断小电 流的真空开关中。但高熔点纯金属触头材料存在诸多缺点，如分断电流、截流水平高等， 从而限制了真空开关的使用范围。从发展的前景看，除了可对现有的真空开关的电触头材 料进行改进外，还应该在新材料，制备工艺方面作进一步创新。 随着开关设备向大容量、高电压、小型化方向的发展，以前单一的纯金属已经难以满 足高压触头的各项性能要求。触头材料的发展经历了由单一金属向二元再到多元复合材料 的开发过程t 1 3 1 。在不同的条件下，对触头材料的性能要求也有不同程度的侧重。触头材 西安理工大学硕士学位论文 料发展到现在，主要分为c u c r 系和c u w 系两类。 1 2 触头材料应满足的性能 1 2 1 触头材料的物理性能 不同材料的物理化学性能不同，如电导率、热导率、熔点、硬度等。这些性质的差异 可以导致真空击穿和真空电弧在不同的电极材料上表现出不同的行为。同时，材料的物理 性能与其电性能有着密切的关系，也直接影响着击穿电压的高低、截流值的大小等击穿特 性。表1 1 中列出了提高触头材料的某些电气性能而对其物理性能的要求1 1 4 l 从表l - l 中可见，为了满足真空断路器触头材料的电气性能对其物理性能的要求常有许多矛盾之 处，如：低截流水平要求触头材料的蒸气压高些、导热系数小些，以便在小电流电弧下材 料能提供较多的金属蒸气，但是为了提高开断能力却希望蒸气压低些、导热系数大些，以 便获得较高的介质恢复强度。因此，选择多组元组成的复合材料，综合组元优异特性，取 长补短，是满足真空断路器对触头材料综合性能要求的途径之一。 表1 1电气性能对材料的要求 t a b i - it h ed e m a n do f e l e c t r cp r o p e r t i e sf o rc o n t a c tm a t e r i a l 气性能 材料特性 电导 热导 蒸气压 熔点 硬度 强度 电子发射能力 含气量 开断能力绝缘能力截流水平工作电流抗熔焊抗电蚀能力 t 一高些好 一低些好 1 2 2 触头材料的电气性能 触头材料一般应该具有以下性能1 1 5 , 1 6 , 1 7 1 = 1 大的分断电流能力；2 高的耐电压值：3 优良的抗熔焊性能；4 高的导热和导电能力；5 耐电弧烧损；6 低的截流值。通常一种触 头材料很难同时满足这些性能。通常总要牺牲次要性能来保证主要性能的要求，分断能力 和高的耐压值通常是最先满足的两项性能。 ( 1 ) 分断能力：电弧和电接触理论n 8 指出，具有高开断能力的真空开关一般应具 有：开断大电流时不发生电弧聚集，且扩散分布于整个触头表面；开断大电流后触头 表面无局部过热区，以利于介质强度迅速恢复；具有较高的分断速度。触头能否成功的 2 1 前言 开断电路电流，关键在于电流过零后触头问的绝缘介质恢复速度与恢复电压升高速度的竞 赛。如果前者始终高于后者。则开断成功；否则，电弧重燃，开断失败1 1 9 1 。评价分断能 力大小的理论判据为： ( 1 1 ) 式中：屯：阴极材料的电子逸出功； 死，砌一阴极材料的游离电位及电阻率。 2 2 鸭2x1 6 6 x1 0 “g 镌，阳极材料原子量。 e 2 = c 。b + c 二+ ( 1 2 ) 式中：只沸点； c 二，c l 熔化潜热和气化潜热； m 。e 。阴极材料原子量及气化单位质量固体材料所需要的热量； 无电子逸出功； 店：阳极材料密度。 从上式可以看出，阴极材料的电子逸出功越商，电阻率越高，触头材料的分段能力判 据n d 就越高，材料的分段能力就越高。 ( 2 ) 耐电压强度值：绝缘水平高低是衡量开关电器性能优劣的重要指标之一。但触 头处于打开状态并在触头之间施加电压时，如果此时触头间又电流流过且形成放电通道， 则电极间原有的绝缘隔离能力被破坏，这即发生了击穿现象。不同的触头工作环境具有不 同的击穿机理与过程。但是其击穿的共同条件是电极间必须有一定数量的带电离子并形成 定向运动。极间击穿是极间电流逐步增大到一定程度后电流突然剧增的现象，击穿电压存 在最小值，此电压就是触头最大耐压值。般认为，材料的耐电压强度值越高越好。触头 材料的耐电压值还和真空灭弧室的真空度、老练作用等因素有关。触头的耐电压强度值的 高低主要取决于材料的成分和表面状态。高的耐电压能力，要求材料具有小的喷溅、蒸发 及热电子发射。 ( 3 ) 抗熔焊性能2 0 2 1 2 2 1 ：热熔焊有动，静熔焊之分。静熔焊指触头在闭合期间内由 于短路故障电流的热效应使得触头表面熔化，之后焊接在一起打不开的现象；动熔焊是指 触头在闭合过程中，由于触头弹跳机关合时电弧的作用是触头表面熔化而焊接在一起的现 象。影响触头熔焊强度的因素很多，如：熔焊区的金属成分，金属分布，金属组织结构， 熔焊过程中的加热能量，熔焊面积及其深度等。文献噶1 研究表明，在不考虑触头表面膜 电阻的情况下，触头材料抗动熔焊能力的理论判据为： 屯：坚监业丝上坐丝丝 ( 1 3 ) 西安理工大学硕士学位论文 式中见，c a ，仍，口为阴极参数；巴，巳，以，a ，仍阳极参数；盯为接触焊接强度上式表 弱，增大阴极材料的致，c a ，识，增大阳极材料的幺( c 磊五妒，并且接触焊接强度口较 低，则触头具有较高的抗动熔焊能力。在以上诸多因素中，参数以仍，c ，起着关键作用。 ( 4 ) 耐电弧烧损性能2 啦5 1 ：触头材料的电弧腐蚀是影响真空断路器寿命的一个重要 因素，此外它还对断路器的电流分断能力和耐电压强度影响很大。在电弧和触头相互作用 中，电弧向触头输入能量，使触头受热，熔化，形成熔池。熔池形成以后，熔池中的液态 金属便会在电弧机械力的作用下以小叶地的形式喷溅出去，从而造成材料损耗。 ( 5 ) 截流值垃酗：截流现象是指当开断交流小电流时，由于灭弧装置的作用，在电流 尚未达到自然零点时电弧熄灭，电流装置被突然降至零值。由于电流被截断，电感负载上 剩余的电磁能就会引起截流过电压，它对系统和负载的绝缘将产生有害的影响。触头材料 的蒸气压越高，则截流值越低。截流现象大多发生在小电路的开断操作中。鉴于其产生机 理，有文献认为：在阴极表面弧跟区的等离子体受到两种力的作用，一是金属蒸汽由于分 子热运动产生的蒸汽力，它力图使弧跟处弧柱直径交租：二是由于电弧电流本身磁场产生 的电磁收缩压力它力图使弧跟处直径收缩。当电流较大时，蒸发力大于电磁收缩力，因 而弧跟处弧柱直径随电流的增大而变粗。当电流减小到接近0 时，阴极斑点的温度急剧下 降，金属蒸汽压力也迅速下降，一旦蒸发力小于电磁收缩力，则弧柱受压缩而变细，电流 密度上升，结果电磁收缩压力更加增大，弧柱更加变细，最终被截断。截断的过程非常迅 速。 已有研究表明1 2 7 1 9 材料的沸点、导热系数、电子逸出功、游离电位、电阻率、原子 量、密度、熔化潜热、气化潜热及比热容等许多参数综合地影响着触头的截流水平。根据 传热暂态方程，结合阴极表面平衡建立的触头材料固有截流能力预测判据为： 。：- j 隆上1( 1 4 ) cr1 z，1 正、 i j 2 争+ ( 1 一s ) 啦略一气m 四吒- c a m a 半i “ 其中，幺为材料的沸点、a 为导热系数、织为电子逸出功、吼为游离电位、岛为电 阻率、肘。为原予量、以为密度、c 为熔化潜热、c 0 为气化潜热、c p 为比热容。从式 中可以看出，增大触头材料的仍、肪；减小材料的鸩、以、q 、幺、a 、 霞将有利于降低截流水平。 综上所述，触头材料的电气性能通常不能被同一种触头材料全部满足，因此，现实中 通常选用能满足触头材料所需的主要性能的材料。一般认为，耐电压强度、截流值和抗电 弧腐蚀能力是触头材料首选满足的性能。 1 3 触头材料的研究现状 现有的触头材料，大致有以下几种噶c 时高熔点材料，常用的有c u w 、c u m o 、 c u r 、c u c o 、c u w c 、c u m o c 、c u v w 等；c u + 中熔点材料，常用的有c u c r 、c u f c 、 1 前言 c u n i 及c u c r f e 、c u f e n i 等；c u + 低熔点材料，如c u b i 、c u p b 、c u z n 、c u t e 、c u s e 、 c u a i 、c u s n 及c u t e s e 、c u b i a i 等：c u + 多种熔点材料，常用的有c u c r w 、c u c r z n 、 c u w c f e 、c u c r c 、c u c r t a 等。其中，c u w 、c u c r 复合材料以其优良的综合性能得到了 广泛的应用。 由w 和c u 组成的c u w 复合材料兼具w 和c u 的优点，c u w 复合材料中，w 能形 成难熔骨架，使材料既具有抗电弧、耐磨损及耐高温的性能，又具有高的密度、良好的导 热性、导电性和小的热膨胀系数，因而可广泛用作电接触材料和电极材料2 9 , j 0 1 。随着微 电子信息技术的发展，在大规模集成电路和大功率微波器件中，c u w 复合材料用作基片、 连接件和散热元件等电子封装材料和热沉材料具有更广泛的用途t 3 1 , 3 2 1 作为触头材料， 它具有耐电弧侵蚀性好、抗熔焊性能高、强度高等优点，而且有较高的耐电压能力，广泛 应用在油断路器、六氟化硫断路器、真空接触器、变压器转换开关中b 3 3 4 3 5 j 6 j 。文献3 7 1 表明，粉末粒度和均匀性强烈影响w - c u 系统的烧结特性，其减小粉末粒度，烧结密度和 材料性能将大大改善。文献o ”表明，细化粒度，均匀混合w 、c u 粉末，可以制备出高 致密度c u w 复合材料。 c u w 复合材料中，w 含量对材料的性能有很大的影响。研究表明1 3 9 1 随着w 含量 的增加c u w 触头材料的硬度呈现增加的趋势，即c u w 触头材料的电极损耗率降低，稳 定性提高；随着w 含量的增加，c u w 触头材料的电导率和热导率都降低h 。研究表明h ， c u w 触头材料中w 含量越低，材料的发汗冷却效果越好，材料的抗热震性能也越好；而 材料的高温拉伸强度随着材料含w 量的增加而增加t 3 8 1 。 目前，制备c u w 复合材料的工艺方法主要有：高温液相烧结法1 4 1 , 4 2 1 j 活化液相烧结 法4 3 ，“ 4 钉，熔渗法1 5 ，螂7 1 等。制备超细粉末的方法有机械合金化4 8 4 9 、雾化干燥i s 0 1 、 溶胶凝胶1 5 1 1 、低真空等离子喷涂法5 2 1 等。 c u c r 合金是目前最重要的新一代中压大功率真空开关触头材料之一，c u c r 作为触头 材料具有较好的分断电流能，有很强的抗电弧烧蚀能力，并能明显降低截断性能t 5 3 5 t , 5 5 , 5 酗。 文献i l 表明，随着真空开关的高耐压、大容量、小型化、低过电压的发展趋势，对c u c r 材料的性能提出了更高的要求，细化材料中的c u c r 晶粒并改善其分布均匀性成为进一步 提高力学、物理性能的主要方法之一，文献巧 表明，显微组织尺寸对c u c r 触头材料在 真空中的电击穿性能有着重要的影响。c u c r 材料的组织细化后，其耐电压强度升高，截流值 降低，综合性能有较大改善文献嘲1 研究了c u c r 合金显微组织对电击穿机制的影响，发 现电击穿总是发生在耐电压强度相对较低的c r 相上。文献蛳，舯表明，对于机械合金化法 制备的微晶c u c r 触头材料，这种材料的晶粒尺寸为几十纳米，密度达到9 0 ，而且在进 行真空电击穿时发现，首击穿相发生在c u 相上。 成份配比对c u c r 合金的组织及其性能有很大的影响。c u 和c r 两组元间固溶度一般 很低，这是由于c u 和c r 的原子半径相差1 8 4 ，只有极少量的原子能形成置换固溶体。 这种材料能保持两类不同金属原有的物理性能，起到相互取长补短的作用。第一组元c u 西安理工大学硕士学位论文 具有低熔点、高导电、良好的导热性能及塑性，有利于提高合金的开断能力和额定工作电 流第二组元c r 提供了良好的耐压、耐电蚀、抗熔焊性能，且不易产生热电子发射。在 c u c r 材料制备时，两组元的配比量不同，材料性能会有所差异1 6 1 1 研究表明啦，当c r 含量从1 0 2 5 ( 质量百分比) 之间变化时，c r 含量的增加提高了c u c r 材料的分断 能力，但是当c r 含量大于2 5 时c 含量的增加反而降低了c u c r 材料的分断能力。j s a t o 等人对c f 含量分别为1 2 5 、2 5 、5 0 和7 5 的c u c r 材料迸行分断性能测试，发现 随着c r 含量的增加，其分断能力下降1 6 3 1 研究发现啪，c r 含量增大时，c u c r 触头材 料耐压值升高，但在c r 含量为2 5 7 5 范围内变化不大。接触电阻随c r 含量的增加 呈线性关系增长。熔焊电流在2 5 7 5 n 之问随c f 含量的增加而减小。研究表明吲1 ， 当c r 含量为3 0 w t 时。c u c r 触头材料可满足大电流商用真空断路器各项要求。 c u 、c r 组元的各自特性给c u c r 合金的制取带来了较为严重的困难。c r 在c u 中的 固溶度很低。1 0 8 3 时约有1 2 8 w t 的c r 溶于c u 中，6 0 0 以下则几乎不溶；c u 不溶 于c r ，因而c u c r 合金实际上是两相结构的假合金。c u 和c r 的不溶性，使其液相合金凝 固时，c r 有共晶化和比重偏析倾向，造成宏观偏析；c r 熔点较高，在高温时与普通熔炉 材料反应剧烈；而且在熔点温度下有较高的蒸气压( 1 0 3 0 p a ) 。此外，c r 与0 、n 、c 的 亲和力大，易吸气和产生不易还原的化合物，而影响材料性能，也难以制取低含气量的合 金，种种因素决定了c u c r 合金难以制取，用常规工艺生产含c r 量较高的c u c r 合金是不 可能的，因此国内外对c u c r 合金的制备工艺研究很多，出现了很多方法。制备c u c r 复 合材料的工艺方法主要有；真空熔炼法6 5 , 6 6 1 ，熔渗法6 7 , 6 s 1 ，机械合金化法柏, 6 9 1 ，自蔓延 熔铸法啪j u 。除此之外，还有自耗电极法1 7 2 1 p 等离子喷涂法7 3 1 ，爆炸烧结法7 4 1 等，由 于对实验条件的要求，这几种方法在现实中的应用受到了很大限制。目前，国内外对c u c r 合金的制备提出了很多新的工艺，如等离子体喷涂法、激光表面合金化法等 1 。4c u w o r 复合材料的研究现状 纵然有如此多的优点以及应用得如此广泛，c u w 、c u c r 合金仍有其自身的缺陷：c u c r 合金的抗侵蚀、耐电压和抗熔焊性能不如c u w 复合材料。无法使用在高电压大电流的场 合；而c u w 复合材料的分断能力和截流能力则比c u c r 复合材料差，无法满足真空断路 器的要求 7 5 1 。目前作为触头材料广泛使用的c u c r 复合材料和c u w 复合材料都不能满足 高电压大电流真空断路器对触头材料的要求1 7 6 1 e 所以，现在有好多科研工作者都在研究、 开发新的方法去改变c u w 、c u c r 复合材料这些缺陷。 目前，开发新的触头材料主要集中在以下两个方面”0 8 1 ：( 1 ) 通过在c u w 复合材 料和c u c r 复合材料中加入微量元素，以改善其某一方面的性能，例如在c u w 复合材料 中加入微量的n i n ，z r 等订9 , 8 0 ；在c u c r 复合材料中添加少量的wn i 等元素或者加入 n i - a i 、w - n i 、w - c o 等瞻1 二元添加剂，使合金整体性得到提高，其中耐电压强度得到提 高。( 2 ) 通过改进c u w 复合材料和c u c r 复合材料的制备工艺，例如通过对触头材料的 表面重熔 1 s l y 细化晶粒。这些研究取得了一些进展，但因材料的组织，特别是其中承受 6 l 前言 大电流电弧烧损的材料的骨架没有发生根本的变化，其综合性能没有获得质的飞跃，国内 至今没有应用到生产中因此，改变合金的组织，尤其是骨架的成份与形态应该成为提 高触头材料综合性能的有效途径。 文献嗷1 表明，在c u c r 合金中添加少量的w 、c 能够显著细化c r 相晶粒，w 对c r 相晶粒还有球化作用，同对对c f 相进行了强化，使合金整体性能得到提高。文献渤表 明，在c u c r 2 5 合金中添加w 、c o 等合金元素，从而进一步提高合金的性能，特别是耐 电击穿性能。 由于c u ，c r ，w 三元素的特点，在c u w c r 复合材料中，由于w 能够显著细化c r 相晶粒，w 对c r 相晶粒还有球化作用，同时对c r 相进行了强化，因而使得c u w c r 复合 材料强度、耐电压能力、抗烧损能力均得到提高。因此，对c u w c r 复合材料的组织和性 能的研究变得更加具有现实意义。 1 5c u 基复合材料的热处理 1 5 1c u 基复合材料的强化机制 目前，制备高强高导c u 基复合材料的主要方法大致分为两种：一辩是通过加入合金 元素强化基体形成c u 基合金，即合金化法；另一种是通过加入第二强化相形成c u 基复 合材料，即复合材料法。合金化法是采用低固溶的合金元素加入c a 中，通过高温固溶处 理使合金元素在c u 基体中形成过饱和的固溶体，然后时效处理使过饱和固溶体分解，大 量的合金元素以沉淀相析出于c u 基体中，使c u 合金得以强化。其手段主要有固溶强化， 沉淀强化，细晶强化和冷变形强化四种，其本质都是通过阻止位错的运动以强化材料 8 4 1 0 ( 1 ) 固溶强化 8 5 , 8 6 j 溶质原子溶入基体金属中总是能提高其变形抗力，这种作用称为固溶强化。在 c u 中添加适量合金元素形成固溶体，合金的强度一般将得到提高。引起固溶强化的 因素包括弹性交互作用( 柯垂尔气团和史诺克气团) 、电交互作用、化学交互作用等。 不同的元素对c u 的固溶强化作用效果是不同的，常用的固溶元素有：s n 、a g 、n i 、 g g 、z n 和c d 等。合金元素进入c u 基体中，虽然提高c u 的强度，但同时也很大程 度上降低c u 基体的电导率。这是由于合金元素进入c u 基体晶体后，因其原子尺寸 与c u 不同，从而引起点阵畸变。点阵畸变对电子运动有强烈的散射作用，从而使其 电导率下降。不同的合金元素对c u 电导率的影响也不同。另外，固溶强化作用的大 小与溶质原子的量有关，相关理论研究结果表明，可根据溶质原子固溶后引发的点 阵畸变的对称性将溶质原子区分为强固溶原子( 快速强化) 元素和弱固溶强化( 逐 步强化) 元素。强固溶强化元素的固溶强化效果比弱固溶强化元素的固溶强化效果 大两个数量级左右。 ( 2 ) 沉淀强化” 沉淀强化的基本原理是，在c u 中加入常温下固溶度极小，而高温下固溶度极大 西安理工大学硕士学位论文 的合金元素，通过高温固溶淬火处理，使合金元素在c u 中形成过饱和固溶体，强 度与纯c u 相比有所提高，再通过时效，使过饱和圃溶体分解，合金元素以一定形式 析出，弥散分布在基体中形成沉淀相，沉淀相能有效阻止晶界和位错运动，从而大 大提高和金强度。产生沉淀强化的合金元素应具备以下两个条件：一是高温和低温 下在c u 中的固溶度相差较大，以便时效时能产生足够多的强化相；二是室温时在 c u 中的固溶度极小，以保证基体的商导电性。此类合金包括c u - c r 、c u - z r 、c u c r - z r 、 c u - f e 、c u - f e - t i 、c u - n i - b e 等系列，而以c u - c r 、c u - z r 系合金的发展最为迅速，应 用最为广泛 ( 3 ) 细晶强化 细晶强化是指在浇铸时采取必要的措施或热处理手段来获得细小的晶粒，也可 以加入微量合金元素来细化晶粒，从而达到强化的目的在多晶体中，晶粒越细， 屈服强度越高，多晶体在受力变形过程中，位错被晶界阻挡而塞积在晶界表面，从 而追使晶界内的滑移由易到难，最终合金被强化。此外，停留在晶界处的滑移带在 位错塞积群的顶部会产生应力集中，位错塞积群可以与外加应力发生作用，当这个 应力大到足以开动临近晶粒内部的位错源时，滑移带才能从一个晶粒传到下一个晶 粒。由于晶粒和邻近晶粒取向不同，从而使材料强化。由于晶体的传导性与结晶取 向无关，晶粒细化仅使晶界增多，而对c u 的导电性影响很小。例如向c u 中添加稀 土、硼等元素来细化晶粒。也有报道弧可以细化c u - b c 合金的晶粒 8 5 1 。另外，还可 以对c u 基合金施加高密度脉冲电流来使晶粒细化| a 9 1 。 ( 4 ) 冷变形强化” 冷变形能使c u 内部位错大量增殖，根据位错强化理论