（材料加工工程专业论文）机械合金化法制备cuwcr复合材料及其真空电击穿性能的研究.pdf

摘要 论文题目：机械合金化法制备c u w c r 复合材料及其真空电击穿性能的研究 学科专业：材料加工工程 研究生：赵玮兵 指导教师：范志康教授 肖鹏讲师 摘要 签名皇蕴盔 签 名握查2 垒 签名盛竺! 垒 真空断路器被广泛用于电力系统的众多领域，作为电力系统中最重要的开关设备之 一，它担负着控制和保护的双重任务。随着电力系统不断地发展，真空断路器向着大容量、 高电压、低过压、小型化和智能化的方向发展，对触头材料综合性能的要求日益提高。由 于c u w 合金的分断能力、截流水平和c u c r 合金的抗侵蚀性能、抗熔焊性能和耐电压强 度等均显一些不足，研发具有综合性能优异的触头材料势在必行。 目前，国内外触头的材料研发和性能改善主要体现在添加强化合金元素和采用新工 艺等方面。本文采用机械合金化法与常规烧结熔渗法分别制备了c u w c r 复合材料和w c r 合金，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。研究表明： 1 采用机械合金化法可以制各不同c r 含量的w - c r 合金粉末：随球磨时间的增加， w - c r 粉末晶粒尺寸不断减小，c r 在w 中的固溶度提高；随着c r 含量增加，制备w - c r 合金粉所需的球磨时间随之延长。 2 在真空烧结环境下，采用机械合金化法可以制备晶粒细小、成分均匀和致密度 高的c u w c r 复合材料及w c r 合金；与常规烧结熔渗法制备的c u w c r 复合材料及常规 烧结法制备的w c r 试样相比，机械合金化法制各的c u w c r 复合材料及w c r 合金均具 有高的硬度和致密度等优良静态性能。 3 在真空电击穿过程中，与常规烧结熔渗法制备的c u w c r 复合材料及常规烧结法 制备的w c r 试样相比，机械合金化法制备的c u w c r 复合材料及w c r 合金均具有优良的 耐电弧烧蚀能力，其电弧烧蚀区域均匀分散，烧蚀坑深度浅：该材料具有较高的耐电压强 度、低的截流值和长的电弧寿命等优良的电学性能，并且耐电压强度分布集中，没有明显 的老炼现象。 4 在所研究的范围内，随着c r 含量的增加，机械合金化法制各的c u w c r 复合材料 及w c r 合金的硬度均随之增加，电导率降低，耐电压强度升高，截流值呈下降趋势，电 西安理工大学硕士学位论文 弧寿命亦随之延长 5 w c r 合金内电场模型表明，w c r 合金组织的细化使电极表面的附加电场强度增强， 导致因外加电场而改变的逸出功降低，增强了w 相的电子逸出能力，使采用机械合金化 法制备的w a r 合金的电击穿以“连续”或“准连续”方式均匀发生在w a r 合金表面；同样， 采用机械合金化法制备的c u w c r 复合材料的击穿弱相也发生了转变，电击穿以“连续”方 式均匀发生在c u w c r 复合材科表面。 关键字：机械合金化；c u w c r 复合材料：显微组织；真空电击穿：阴极斑点 本研究得到国家高科技发展8 6 3 计划( 编号2 0 0 3 a a 3 3 x 1 7 0 ) 和西安市科技计划项目 ( 编号g g 0 6 0 6 8 ) 的资助。 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 nt h ec u w c rc o m p o s i t ep r e p a r e db y m e c h a n i c a la l l o y l n ga n di t sv a c u u me l e c t r i c a l b r e a k d o w np r o p e r t l 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 ：w e i b i n gz h a o s u p e r v i s o r ：p r o f z h i k a n gf a n l e c t r p e n gx i a o a b s t r a c t s i g n a t u r e ：箜丛窜圣丛2 s i g n a t u r e ：l s i g n a t u r e ：瞄竺= a so n eo f t h em o s ti m p o r t a n ts w i t c h g e a r si np o w e rs y s t e m ，v a c u t l l nc i r c u i tb r e a k e r , w h i c h i su s e dt oc o n t r o la n dp r o t e c tt h es y s t e m i sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s w i t hd e v e l o p m e n to f t h ep o w e rs y s t e m i ti sr e q u i r e df o rt h eb r e a k e r st oh a v ea ni n c r e a s i n g l ys t r i n g e n tc o m b i n a t i o n o fp r o p e r t i e sf o rt h ec o n t a c tm a t e r i a l s 、i l hh i g h e rv o l t a g e 1 a r g e rc a p a c i t y , l o w e ro v e r - v o l t a g e a n di n t e l l e c t u a l i z a t i o n s i n c et h ec u wa l l o yh a sl o wb r e a l a n gc u r r e n ta n dh i g hc h o p p i n g c u r r e n ta n dt h ec u c rh a sl o we r o s i o n - r e s i s t a n t ，f o s i o n - r e s i s t a n ta n db r e a k d o w ns t r e n g t h , i ti s i m p e r i o u st od e v e l o pan e wc o n t a c tm a t e r i a lw i t he x c e l l e n tc o m b i n e dp r o p e r t i e s a tp r e s e n t , t h es t r e n g t h e n i n ga l l o y i n ge l e m e n t sa d d i t i o na n dn e wt e c h n o l o g i e sa r em a i n l y u s e dt oi m p r o v et h ep r o p e r t i e s t h ew c ra l l o y sa n dc u w c rc o m p o s i t e sa r ep r e p a r e db y m e c h a n i c a la l l o y i n ga n ds i n t e r i n ga n di n f i l t r a t i o np r o c e s s e sr e s p e c t i v e l yi nt h i si n v e s t i g a t i o n c o m p a r e d 丽t ht h em a t e r i a l sp r e p a r e db yc o n v e n t i o n a lm e t a l l u r g ym e t h o d ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so ft h o s em a t e r i a l si ss t u d i e d a tt h es a m et i m e ，t h e v a c u u me l e c t r i cb r e a k d o w ni si n v e s t i g a t e d , a n dt h er e l a t i o n s h i p sa m o n gt h em i c r o s t r u c t u r e ， p r o p e r t i e s a n dc a t h o d e s p o t m o t i o na r ei d e n t i f i e d , a n dt h ei m p o r t a n tf a c t o r sa f f e c t i n g b r e a k d o w nv o l t a g ea n dc h o p p i n gc u r r e n ta r ea n a l y z e da sw e l l f r o mt h o s ei n v e s t i g a t i o n s 。i t 伽 b ed r a w nt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s 1 1 1 l ew c ra l l o yp o w d e r s 、析t l ld i f f e r e n tc rc o n t e n t sc a nb ep r e p a r e db ym e c h a n i c a l a l l o y i n g w i t hi n c r e a s eo fm i l l i n gt i m e ，t h eg r a i ns i z eo ft h ew c rp o w d e r sd e c r e a s e s ，t h e m i c r o s t r a i ni n c r e a s e a n dt h el a t t i c ep a r a m e t e rh a sad i m i n u t i o nt e l l d e n c y t h es a t u r a t i o no f c ri nt h ewm a t r i xi n c r e a s e sa n dt h ef u l ls o s o l o i di sf o r m e d t h em i l l i n gt i m ef o rp r e p a r i n g w - c ra l l o yp o w d e r si sp r o l o n g e dw i t hi n c r e a s eo fc rc o n t e n t 2 i nv a c u u m t h ew c ra l l o y sa n dc u w c rc o m p o s i t e s 、) l r i t hf i n eg r a i n s ，u n i f o r m i i i 西安理工大学硕士学位论更 一”。1。_-_。_-_-。_-_-_-_-_-_-_-_一 c o m p o s i t i o na n dh i g hd e n s i t y0 0 1 1b ep r e p a r e db ym e c h a n i c a la l l o y i n g 1 1 h eh a r d n e s sa n d d e n s i t yo fb o t ht h em a t e r i a l sp r e p a r e db yt h en e wm e t h o da r eh i g h e rt h a nt h o s eo ft h e m a t e r i a l sp r o d u c e db yt h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d 3 t h ew c r a l l o y sa n dc u w c rc o m p o s i t e sp r e p a r e db yt h en e wm e t h o dh a v eg o o da f t e r o d i n ge n d u r a n c e a r ce r o s i o nz o n e s 搬d i s p e r s i v ea n du n i f o r mo nt h es u r f a c e sw i t hs o m ef l a t e r o d i n gp i t s b o t ht h em a t e r i a l sh a v ee x c e l l e n te l e c t r i c a lp r o p e r t i e ss u c h 嬲h j i g hb r e a k d o w n v o l t a g e ，l o wc h o p p i n gc u r r e n ta n dl o n ga r cl i f ea n ds oo n t h ed i s t r i b u t i o no fb r e a k d o w n s t r e n g t hi sd e n s ed u et ot h eu n o b v i o u ss e a s o n i n gp h e n o m e n o n 4 w i t hi n c r e a s eo fc rc o n t e n t s ，t h eh a r d n e s so fb e t ht h em a t e r i a l sp r e p a r e db y m e c h a n i c a la l l o y i n gi n c r e a s e s ，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 ，t h eb r e a k d o w nv o l t a g e i n c r e a s e s ，t h ec h o p p i n gc u r r e n td e c r e a s e s ，a n dt h ea r cl i f ep r o l o n g s 5 。a p r i m a r yi n t e m a le l e c t r i c - f i e l dm o d e lo f t h ew c ra l l o y si se s t a b l i s h e d t h ec a l c u l a t e d r e s l u t ss h o wt h a tt h er e f i n e dm i c r o s t r u e u r ee n h 强t h ea d d i t i o n a le l e c t r i c a lf i e l di n t e n s i t y , t h u s l e a dt od e c r e a s et h ee l e c 仃i c a le s c a p ef u n c t i o no fw p h a s ea n di n c r e a s ee l e c t r i c a le s c a p e c a p a b i l i t yo fwp h a s ed u et oe x t r ae x t e r n a le l e c t r i c a lf i e l d t h eb r e a k d o w no fw c ra l l o y s p r e p a r e db ym e c h a n i c a la l l o y i n gi su n i f o r m l yp r o d u c e do nt h ew c re l e c t r o d e 瓤触i nt h e c o n t i n u o u sa n dq u a s i - c o n t i n o u sw a y s m e a n w h i l e ，t h ew e a kb r e a k d o w np h a s eo fc u w c r c o m p o s i t ep p a r e db ym e c h a n i c a la l l o y i n ga l s oc h a n g e s , a n dt h eb r e a k d o w ni su n i f o r m l y p r o d u c e do nt h ec u w c r e l e c t r o d es u r f a c ei nac o n t i n u o u sw a y k e yw e r d s ：m e c h a n i c a la l l o y i n g ；c u w c rc o m p o s i t e s ； b r e a k d o w n ；c a t h o d es p o t s t h ep r o j e c ti ss p o n s o r e db yt h en a t i o n a lh i g h - t e c hd e v e l o p m e n t 8 6 3 p l a n ( n o ：2 0 0 3 a a 3 3 x 1 7 0 ) a n dt h ex i a ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp l a np r o j e c t ( n o ：g g 0 6 0 6 8 ) 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：垒! 圭盘卿年；月扣日 学位论文使用授权声明 本人望! 圭墨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 j 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! 圭墨导师签名：篮墨垄叼年3 月j 。日 第一章前言 1 前言 1 1 选题背景及意义 现代人的生活对电的依赖程度越来越大，真空断路器是电力系统中最重要的组件之 一。真空断路器主要用来分断短路电流，保护电器设备。隔离故障线路，保证安全可靠的 运行。真空断路器是以高真空作为灭弧介质和绝缘介质，它具有结构简单、体积小、重量 轻，在电流过零后介质强度恢复快、灭弧能力强、燃弧时间短、电器寿命长等优点，因此 被广泛应用于中高压电力系统中i l l 。 触头作为高压开关的关键部件之一，担负着电路的接通与断开，负载电路中电流的 作用。研究表明印1 ，触头材料的优劣直接影响着真空断路器的开断能力、介质恢复强度 以及机电寿命等各项性能，亦直接影响着开关和电器运行可靠性及使用寿命。可见，触头 材料在很大程度上决定了真空断路器的发展。 国内高电压大电流断路器的灭弧介质普遍采用s f + 气体，因为该气体的排放会加剧温 室效应，在日益注重环境保护、生态平衡和资源有效利用以及人与自然协调发展的现代社 会中，该气体的使用受到越来越严格的限制1 4 5 1 。目前，国内外主要集中在研究新的高电 压大电流真空断路器。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。 随着真空开关设备向大容量化方向发展，触头材料经历了由单一金属向二元再到多 元复合材料的开发过程碍1 。在不同的使用场合，对触头材料的要求也有不同程度的侧重。 触头材料的电学特性对材料静态性能的要求存在着诸多相互矛盾之处；( 1 ) 低截流水平要 求材料具有低的导电、导热性能和低的熔点，而高的开断能力、抗熔焊性和抗电磨损性能 要求与其相反的性质，这是研制触头材料最大的难点之一。( 2 ) 具有抗熔焊能力的材料一 般脆性较大，强度较差，这与要求触头具有较高的机械强度和抗变形、电磨损性能相矛盾。 为解决上述矛盾，多数材料工作者认为合金化是最佳选择的解决方法。 早期的触头材料主要采用w 、m o 等难熔纯金属作触头材料。这类触头材料由于具有 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、触头使用寿命长等性能，直到现在还被广泛地用于分断小电流的真空开关中，但 是该材料存在分断电流和截流水平高等缺点。采用高导电导热性的纯金属( 如c u ) 作为真 空触头材料，具有良好的分断大电流能力，并且具有相当好的耐电压性能和较低的截流水 平，但抗熔焊能力较差。 目前，c u c r 合金是最重要的新一代中压大功率真空开关触头材料之一砺1 。c u c r 作为 触头材料具有较好的分断电流能力，较强的抗电弧烧蚀能力和较低的截流值。近年来，国 内外对c u c r 合金的制备提出了很多新的工艺，例如机械合金化法竹1 、等离子体喷涂法噶1 、 激光表面合金化法1 9 1 电弧熔炼法们等。 文献表明t i l l , 细化材料晶粒，可以提高c u c r 材料的性能，并使成分均匀分布。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影响，c u c r 材料的组织细 西安理工大学硕士学位论文 化后，其耐电压强度升高。截流值降低，综合性能有较大改善 1 2 1 丁秉钧教授等研究了 c u c r 合金的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3 l ”。研究表明，对于机械合金化法制备的微晶c u c r 触头材料，首击穿相发 生在c u 相上，即击穿具有选择性 7 1 。 c u w 合金由于同时具备钨的高熔点、高硬度、耐腐蚀和铜的高导电，高导热率等一 系列优良特性，被广泛地应用作高压开关触头订钉。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 1 6 1 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 1 7 1 。近年来，国内外制备c u w 合金 的方法有熔渗法 1 5 1 活化液相烧结法n 帅、机械合金化法1 、机械旗化学工艺合成法1 2 1 、 雾化干燥法m ，等 纳米w - c u 粉末及其制备的c u w 合金是目前研究的热门技术之一文献表明，粉末 粒度和成分均匀性强烈影响c u w 的烧结特性，减小粉末粒度，将大大提高烧结密度，改 善材料性能出1 。细化粒度，均匀混合w 、c u 粉末，可以钼备出高致密度的c i i w 合金咙1 。 b o 辩等人利用添加合金元素m o ，t a 等细化晶粒，添加n i 、f e 、c r 、m o 等元素提高导 电性、导热性和可焊性嘣，。 随着真空断路器向大电压、大容量、小型化和低过电压的方向发展 2 5 1 对触头材料 综合性能的要求日益提高。c u c r 合金的抗侵蚀、耐电压和抗熔焊性能不如c u w 合金， 无法使用在高电压大电流的场合与c u c r 合金相比，c u w 合金的分断能力和截流能力 则差，但其性能均有提高的空间n n 。国内改善触头材料的综合性能主要通过添加其它合 金元素和采用新工艺两种方法，因此，基于c i l c r 和c u w 两种材科的特性，提出c u w c r 复合材料作为新的触头材料具有非常重要的现实意义。 近年来，西安理工大学陕西省电工材料及熔渗技术重点室在研发立式烧结熔渗 c u w ，c 佗u 整体触头材料之后，又成功的制备出了薪型的c u w c r 复合材料，并研究了 c u w c r 复合材料的电学性能与显微组织之间的关系。虽然这些研究已经取得了一些进展， 但因材料的组织，特别是其中承受大电流电弧烧损的材料骨架没有发生根本变化，其综合 性能没有获得质的飞跃。分析原因可能是由于前期w c r 骨架存在固溶程度不够，后期熔 渗c u 相粗大且分布不均匀而导致的。同时，还存在高温烧结对设备的要求高、能耗大、 工艺复杂等问题。因此，改变合金的组织( 尤其是骨架的成分和形态) ，成为提高c u w c r 复合材料综合性能的有效途径。本文提出利用机械合金化法制备成分均匀、固溶度高及晶 粒细小的w c r 合金粉末，对制备能够承受大电流电弧烧损且高致密度w c r 骨架起决定 性作用，从而使c u w c r 复合材料综合性能发生质的飞跃。 人们对真空电弧和阴极斑点的认识在不断加深和完善，但目前人们的认识还存在 许多不足。人们研究的触头材料均为粗晶，对触头材料的研究只集中在阴极的表面粗 糙度以及杂质元素的含量等，并没有考虑显微组织对真空电弧和阴极斑点的影响碥”。 事实上，显微组织是决定材料性能的重要因素，微晶和纳晶触头材料的发展已经使研 2 第一章前言 究触头材料显微组织对真空电弧和阴极斑点的性能影响变得尤为重要。本文研究了机 械合化法制备的c u w c r 复合材料和常规烧结熔渗法制备的c u w c r 复合材料的真空电 击穿现象及特性，即研究机械合化法制备的c u w c r 触头材料在真空中的击穿现象，明 确阴极斑点运动特征和材料组织结构之间的关系，分析影响该触头材料中耐电压强度 及截流值等的重要因素。 1 2 机械合金化 1 2 1 机械合金化技术的研究现状 1 9 6 9 年，美国国际镍公n ( r n c o ) 的b e n j a m i n 等人成功研制了一种制各粉末的新工 艺，i n c o 公司在专利申请中将这种制备粉末的工艺称为“机械合金化”2 8 棚。1 9 8 3 年， 由美国科学家k o c h 教授率先用机械合金化技术制备出了n i - n b 系非晶合金啪1 ，从而在 合金化范围内掀起了机械合金化研究的高潮。近年来，在采用机械合金化技术制备磁性材 料1 3 1 1 超导材料1 3 2 1 储氢材料1 3 3 1 电触头材料1 3 4 1 热电材料琊1 等方面的研究也取得 了巨大的进展。足以见得，机械合金化作为材料合成制备的新技术有其独特的强大魅力。 时至今日，它已发展成为一种重要的材料制备新技术，在新材料的开发和材料科学的研究 中发挥着重要作用。 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 ) ，也称为高能球磨( h i g h - e n e r g y b a l lm i l l i n g ，缩写为h e b m ) ，是通过磨球、 粉和球罐间强烈的相互作用，外部能量传 递到元素粉末颗粒中，粉末颗粒发生变形、 断裂和冷焊，并不断细化，未反应的表面 不断地暴露出来，这样明显增加了反应的 接触面积，缩短了原子的扩散距离，促使 不同成分间发生扩散和固态反应，混合粉 末在原子量级水平上实现合金化，从而获 得合金化粉末的一种粉末制备技术衢, a 6 , r r l 。 图1 1 为机械合金化所用的高能球磨机示 意图。 图1 - i 机械合金化所用高能球磨机示意图。 f i g 1 - 1h i g h - e n e r g y b a l l m i l l u s e d f o r i d a 机械合金化是一种非平衡条件过程，其合金的热力学与动力学条件不同于传统工艺， m a 过程不能采用常规的热力学和动力学来分析。研究表明，机械合金化形成饱和固溶体 的形成混合焓为正值，因此，m a 过程的混合焓对其是起抑制作用的，混合焓不再是合金 形成的决定因数，合金形成的动力主要来源于外界的机械强制驱动力，它迫使粉末在强制 力的作用下造成颗粒内大量的应变和缺陷。由于在机械合金化的过程中产生了大量的晶体 3 西安理工大学硕士学位论文 缺陷，从而降低了生成物所需的有效反应能，同时提供了在低温下固态反应传播的条件 【3 ，l 机械合金化作为一种制备弥散强化合金的方法，与传统的熔炼合金相比，具有工艺 条件简单经济以及成分控制灵活的特点。这种方法可以迫使材料远离平衡态，从而得其它 技术难以得到的组织工作与结构，扩大了材料性能的范围，并且材料的组织结构可控。 机械合金化的静态过程可以描述为，在高能量磨球的撞击研磨作用下，侵研磨的粉末 之间发生反复的冷焊和断裂，形成细小的复合颗粒，发生固态反应形成新材料的过程。原 材料可以是元素粉末、元素与合金粉末和金属间化合物、氧化物粉末等的混合物。球一粉 末一球的碰撞引起塑性粉末的压扁和加工硬化，当被压扁的金属粒子重叠时，原子级洁净 的表面紧密地接触，发生冷焊并形成由各组分组成的多层的复合粉末粒子，同时发生组分 的加工硬化及复合粒子的断裂冷焊与断裂不断地重复，有效地“揉混”复合粉末的内部结 构，粉末不断细化并越来越均匀，形成均匀细化的复合颗粒。由于复合颗粒内有大量的缺 陷和纳米微结构，断续高能球磨时，则发生固态反应形成新的合金材料。材料在高能球磨 过程中，界面及其它晶体的缺陷增加是其共性，而元素本身的性质、不同元素之间的交互 作用以及外界条件的影响等，则决定了高能球磨的最终结果。为了提供高能球磨所需要的 能量，在碰撞之前，磨球的速度至少应达到每秒几米的水平。 机械合金化工艺过程大致分为四个阶段瞄1 ：1 ) 机械混合阶段：2 ) 微观的铸造阶段， 粉末呈扁平和片状化，但尚未发生冷态锻焊；3 ) 已经被加工硬化了的粉末被破断和剥离， 破断片之间产生冷态锻焊，即被反复揉搓而啮合；4 ) 粉末晶粒非常细化，合金成分之间 向层片状结构发展。粉末中的延性相在机械揉搓过程中应起到结合相或母相的作用。图 1 2 为机械合金化过程中不同阶段的组织结构变化从图中可以清楚的看到，机械合金化 中重要的条件是使不同材料结合在一起，在m a 过程的中期阶段，焊合的粉末发生塑性 变形来形成层片的组织。然后。使其在机械合金化最后阶段发生扩散及冷态锻焊。 e i c | 删 璺囝、- 矗曩啊一弋y 图1 - 2 机械合金化过程中的粉末显微组织变化。1 f i g 1 - 2e v o l u t i o n0 f 掉m i c r o s t r u c t u r ed u r i n gm e c h a n i c a la l l o y i n g 影响机械合金化过程的因素很多，包括磨球尺寸、球科比、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等1 3 6 1 。其中，磨球尺 寸、球料比、球磨时间、球磨转速和球磨量都会影响体系的放热效应、热释放行为以及粉 末的细化程度。 4 第一章前言 1 2 2 机械合金化法制备触头材料的研究现状 机械合金化是一种非平衡组织合成技术，其金属相变突出，表现在非平衡性和强制性 3 8 ，：圳。它可以突破相图的限制，制备出常规工艺无法获得的合金体系，如非晶、准晶、 超饱和固溶体、金属间化合物以及纳米晶等稳态和亚稳态材料。 随着机械合金化技术应用领域不断扩大，在触头材料制备中也取得了一定的成果。对 于制备混合均匀，性能进一步提高的触头材料来说，机械合金化作为制备合金粉的新工艺 在触头材料制备的应用中具有十分重要的前景。 目前，用于生产的触头材料种类很多，在二元或多元体系中，大部分触头材料形成的 是“假合金”，如：a g n i l 4 1 1c u w m l ，c u c r 4 2 等，而机械合金化则可以使它们形成过 饱和固溶体，使它们之间合金化。文献表明，几乎所有的合金体系在高能球磨后都能形成 过饱和固溶体m 1 。按照机械合金化组元的性质，可以将其分为延性延性体系和延性脆性 体系。其中，属于延性延性体系的机械合金化触头材料主要有c u c r “2 1 ，c u m o 1 ，c u n i “等触头材料；属于延性脆性体系的机械合金化触头材料有c u w 噶1 ，a g w ， a g s n 0 2 “5 1 等触头材料。按照基体成分也可以将其分为a g 基体电触头材料和c u 基体 电触头材料，其中，a g 基体电触头材料有a g n i1 4 1 l pa g z n o1 4 6 1 ，a g w “7 1 等触头材料， c u 基体电触头材料有c u w t l $ i c u c r 4 2 1 等触头材料。 采用机械合金化法制各电触头材料具有以下特点4 7 1 ： ( 1 ) 可用来制各过饱和固溶体，使非互溶体系合金化通过成形工艺可以提高材料的力 学和电学性能： ( 2 ) 可以制备第二相( 金属氧化物、难熔金属、硬质相) 弥散分布的电触头材料，该材料 显示了较好的性能； ( 3 ) 可以制备性能优异的纳米晶电触头材料； ( 4 ) 机械合金化制备电触头材料的工艺简单，方便易行，而且更经济。 机械合金化作为一种新型材料制备方法日益受到研究者的重视，该技术在新型触头材 料研制领域的研究十分活跃。因此，该工艺技术将在触头材料制备及应用中具有十分重要 的前景。 1 3 真空电击穿的理论研究 1 3 1 真空电击穿及影响因素 真空击穿是指在电极的两端加上高电压，电极在真空中发生放电并引起电弧，使真空 间隙丧失绝缘能力的现象，也就是放置在真空中的一对电极( 真空间隙) ，若施加自零开始 逐渐升高的电压，在达到一定的电压时也将产生击穿现象1 。 文献表明m , s 0 1 ，然而引起真空击穿的机理主要有以下三种：( 1 ) 场致发射学说：( 2 ) 粒 子迁移学说；( 3 ) 微放电学说。一般认为，当真空间隙小于1 2 m m 时，真空间隙击穿主要 5 西安理工大学硕士学位论文 是由场致发射引起的( 场致发射学说在第五章中详述) 。 真空电击穿是一种相当复杂的物理现象，它与放多因素有关弛钏，如电极的几何形 状，电极的大小，电极间隙的大小，电极材料，老炼作用，操作条件和真空度等的影响。 a 电极材料及表面状态的影响 在大量的试验中得出，电极材料的几何形状，材料的硬度、微观光洁度以及附着杂质 的种类对击穿电压有着极大的影响。 电极的几何形状对电场的分布有很大的影响，往往由于几何形状确定不够恰当，引起 电场在电极局部地方过于集中而遭致击穿，尤其对高电压的真空装置更为突出。电极边缘 的曲率半径大小是重要因素之一一般来说，曲率半径大的电极承受击穿电压的能力要比 曲率半径小的电极承受能力强。从电极的面积大小来对比，击穿电压是随着面积的增大而 有所降低，主要原因是放电概率增加 许多研究者认为，材料的硬度和机械强度与击穿电压有一定的关系。一般硬度和机械 强度较高的材料，往往有较高的绝缘强度。还发现击穿电压和阴极材料的静态常数有关， 得出有下列的关系，即 u = 彳乙“掣吼见蚴 ( 1 1 ) 式中，u 为击穿电压；霸为阴极材料的熔点；g 为阴极材料的比热容；d m 为阴极材料 的密度；a 为修正因子。 此外，电极材料本身的特性、表面氧化程度，蒸气压力所决定的最高温度以及杂质种 类及其含量等都对间隙的击穿有一定的影响。 b 电极间隙大小的影响 ， 不同研究者一致发现，真空间隙的击穿电压与间隙距离有比较明确的关系。当间隙距 离较小( 小于0 5 c m ) 时，随着间隙距离的增大，击穿电压呈线性增长，即 u = k d ( 1 2 ) 式中，u 为击穿电压( k v ) ；d 为真空间隙距离；k 为比例常数。 但是，在间隙距离较大时，间隙距离与击穿电压的关系将按下式变化，即 u = 缸， ( 1 3 ) 式中，u 为击穿电压( 依v ) ；d 为真空间隙距离；k 为比例常数；a 为系数( o 4 0 7 ) 许多研究者认为，长间隙的击穿电场强度之所以与短间隙有差别，主要是由于短间隙 是场致发射引起击穿，而长间隙主要是由于微粒撞击造成击穿的。在不同的介质中击穿电 压与电极距离的关系中，真空比其它绝缘介质具有更为优异的耐压特性。 c 老炼作用的影响 在电极上加一定的电压，使电极间隙发生击穿放电，经过若干次的这种放电后，电极 间隙的击穿电压有显著的提高，这种现象称为老炼现象l s l l 。近年来，实验表明老炼对提 6 第一章前言 高击穿电压是有效的( 老炼机理的分析在第五章中详述) 。主要原因是由于老炼可以消除电 极表面上微小尖棱、毛刺以及电极表面氧化物和其它脏污，从而大大降低了电极材料表面 的电场增强系数历提高了电极材料的耐电压强度。 d 真空度的影响 在小间隙电击穿情况下。击穿电压强度随着真空度的提高而升高。当真空度超过 1 3 3 x 1 0 2 p a 以后，击穿电压基本上保持不交呈一个常数。在长间隙电击穿下，击穿电压 有反常现象。当真空度降低到1 3 3 x l o 2 p a 以下时，击穿电压反而有所提高。这是由于长 间隙的开距与电子平均自由程几乎相同，引起电子流的散乱所致。 1 3 2 真空电弧及影响因素 在1 9 世纪末期，w o o d 等人最先对真空间隙中的电击穿现象进行了研究，之后许多学 者对真空间隙的电击穿行为和机理也进行了系统的研究，发现真空电弧实际上是指真空环 境中的金属蒸气电弧啦。 从电极表面产生的金属蒸气进入真空间隙中成为真空电弧产生的媒介，金属与电子的 相互碰撞导致中性粒子的大量电离，最终导致电弧。电弧发生后，电极之间的空间很快就 被部分电离的金属蒸气和电子组成的等离子体充满 5 3 1 。在小电流( s 2 0 0 舢问隙真空击穿 时，真空电弧是依靠整个阴极表面上许多不规则运动的阴极斑点提供的金属蒸气来维持 的，当这些原子从阴极斑点发射出去后，它们有的被一次或者多次电离，也有的通过阴极 电子的转移而电离。在这些条件下，阳极表面均匀地接受来自等离子体的电子流，从周围 等离子体收集足够的电子电流密度来维持电路的电流，它的作用本质是一个正的探针。图 l 一3 为小电流情况下真空电弧形状和阴极斑点示意图。 真空电弧在空间上包括阴极区，阳极区 和两极间区。一般认为，阴极现象具有决定 性作用 5 4 t 所以人们为了研究方便，将阴极 现象作为主要研究对象。真空电弧的类型按 照阴极的温度可以分为冷阴极真空电弧和热 阴极真空电弧。二者的主要区别在于阴极材 料内部的电子获得外加能量，从而使逸出电 极表面的方式不同 q s l o 冷阴极真空电弧是在 电极表面施加很强的电场，大大地消弱了阻 碍电子逸出表面的能力，电子借助隧道效应 而产生发射，导致电弧的发生。而热阴极真 空电弧给予电子能量的方式是加热物体，电 子在阴极内无序热运动的能量随温度的增高 而增大，其中有的电子获得足够的能量克服 电弧 图1 3 真空电弧形状和阴极斑点示意图1 f i g 1 3s c h e m a t i ci l l u s ；仃a t i o no f v a c u u ma r c s a n dc a t h o d es p o t s 7 西安理工大学硕士学位论文 它们逸出的阻力而逸出电极，从而引起电弧。由于它们的电子激发方式不同。所以应用场 合也不相同，本文中真空电弧均为冷阴极真空电弧。 真空电弧的影响因素比较多，如电极材料的表面状况，电极的形状，外部磁场的大小， 真空间隙的大小以主真空度等等绷1 。有资料表明，决定真空电弧主要的因素还是电极 材料本身的特性，如金属本身的静态性质和阴极材料的显微组织等唧。研究者还认为， 材料的电导率、热导率、蒸气压、熔点以及硬度等性能差异可以导致真空电弧在不同的电 极材料上表现为不同的特性和行为。研究还发现，金属材料的真空电弧电压与阴极材料的 结合能、功函数和沸点等性能都有比较大的影响哪! 。 1 3 3 阴极斑点及影响因素 阴极斑点在阴极表面进行不规则的运动的小亮点，该处温度高，电流密度大，包括阴 极表面上一个温度远远高于阴极熔点的区域和阴极的等离子体，它提供维持真空电弧所必 需的蒸气，同时，也是电子从阴极进入阳极的通道哪, 6 2 1 ，人们对真空电弧的研究工作集 中在对真空电弧至关重要的阴极斑点上。阴极斑点是一个复杂的现象，人们对它的静态本 质和基本的静态参数到现在还没有一个统一和令人信服的观点船舻1 。 阴极斑点现象到目前为止尚无统一定性和定量的解释。有研究认为，在真空小间隙电 击穿加很高的电压时，阴极表面上某些微突起点就会因场致发射而产生的焦耳热，这些地 方的温度迅速升高，导致爆发性的金属蒸发和电击穿，同时在等离子体压力的作用下形成 “火山口”，从而产生了阴极斑点一1 。 阴极斑点区域内金属被加热到很高的温度，在阴极斑点上面是鞘层( s h e a t h ) 或者弹道 层( b a l l i s t i c ) ，它把等离子云和阴极表面分开，其厚度为l 1 0 n m ，电子和离子可以无碰撞 地通过鞘层嘲1 ，电子和离子通过鞘层后就进入到弧柱等离子区域。 阴极斑点最显著的特征就是它的运动具有不连续性，大小和形状具有多样性和易变 形。阴极斑点的运动是由旧斑点熄灭，在旧斑点周围产生出新的斑点而引起的。在没有 磁场时，阴极斑点在电极表面做杂乱无章的随机运动晰1 ；在有磁场时，阴极斑点进行反 安培方向运动；在阴极表面有多个斑点时，在阴极斑点自身磁场的作用下，也表现出反安 培方向