维普资讯 http://www.cqvip.com 第２ｏ卷第４期 湖北汽车工业学院学报 Ｖ０１．２ｏ Ｎｏ．４ ２００６年ｌ２月 Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｈｕｂｅｉ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｉｎｄｕｓｔｉｒｅｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｄｅｃ．２ｏ０６ 银基氧化物梯度复合材料的研究 赵开屏 ．屈少华 （１．襄樊学院机械系，湖北襄樊４４１０５３；２．襄樊学院物理学与电子技术信息系，湖北襄樊４４１０５３） 摘要：通过粉末冶金法制备了银基ＡｇＺｎＯ／ＡｇＺｎＯ—ＣｄＯ／ＡｇＣｄＯ叠层材料和ＡｇＳｎＯ：梯度触头材料，这种设计方 法从功能梯度的角度出发，更准确地考虑到了电接触材料的实际工作情况。作为一种全新的电接触材料的设计方 法，初步考察了两种复合材料的电导率、热导率及电侵蚀前后接触表面的形貌和元素成分分布情况。 关键词：氧化物；功能梯度；复合材料 中圈分类号：０４８４．４￣２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—５４８３（２００６）０４—００３４—０３ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｓｉｌｖｅｒ Ｏｘｉｄｅ Ｇｒａｄｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ∞Ｋａｉｐｉａｇ￣．Ｑｕ Ｓｈａｏｈｕａ２ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｘｉａｎｇｆａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎｇｆａｎ ４４１０５３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎｇｆａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎｇｆｎａ ４４１０５３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ＡｇＺｎＯ／ＡｇＺｎＯ—－ＣｄＯ／ＡｇＣｄＯ ｌａｙｅｒｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ＡｇＳｎ０２ ｇｒａｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｎｏｒｍａｌ ｐｏｗｄｅｒ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｉｒ－ ｃａｌ ｃｏｎｔａｃｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｍｏｒｅ ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ ｔｈａｎ ｃｏｍｍｏｎ ｔｈｏｓｅ ｉｎ ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｉｄｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ ｇｒａｄｅｄ ｍａｔｅｒｉ１ａ．Ａｓ ａ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｉｒｃｌａ ｃｏｎｔａｃｔ，ｊｕｓｔ ｓｏｍｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｕｒｆａｃｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｅｒｏｄｅｄ ｂｙ ａｒｃ，ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ；ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ ｇｒａｄｅｄ ｍａｔｅｒｉｌａ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ 对于电力工业来说，触头材料是一种非常重要 温升和接触处的电流分布是非均匀的。这就暗示。 的材料，最基本的功能是安全可靠地连接电路。一 触头材料在性能设计上不应该一味地强调均匀性． 般来说。一种理想的电接触材料应该有一定的硬 而应该适当地设计成在成分上非均匀的分布。从而 度、较好的热导和电导率等＿ｌ－］］。触头材料的抗熔焊 达到性能上也能“有的放矢”的分布。显然，普通的 性是一个非常重要的开关性能参数．它直接决定了 制备技术并不能制备出上述这种复合材料。如果 电触头装置寿命的长短。对于中低压电器使用的 把各种参量的非均匀分布简化成去强调某一更重 银基触头材料，在里面添加一定量的氧化物，不仅 要的性能，采用功能梯度材料的概念来制备复合材 可以提高材料的接触性能，而且可以降低材料的成 料似乎是一个可行的方法。 本。但是用传统的制备方法。如粉末冶金法和内氧 化法。很难得到一种所有开关参数都好的触头材 １ 触头材料的制备和实验方法 料，通常是一个性能参数提高了，另一个性能参数 就会变得较差。一个物理事实是，在触头开关的过 在这项工作中设计了２类样品。其依据的主要 程中，从触头表面到触头体内，由接触电阻引起的 事实是：１）在触头材料的接触面应该有较多的氧 收稿日期：２００６—１０－０６ 作者简介：赵开屏（１９６４一），女，湖北襄樊人，实验师，主要从事材料研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２Ｏ卷第４期 赵开屏等：银基氧化物梯度复合材料的研究 一３５一 化物，一是为了减少因工作过程中电弧的作用而 在４５０ ＭＰａ下压成直径为１０ ｍｍ，厚度约２ ｍｍ 导致的材料损蚀。二是提高材料的抗焊接能力： 的片子，在９００℃烧结２ ｈ。２类样品的成分分布 ２）在触头材料的接触表面附近应该有较好热导 示意图如图ｌ所示，不同的衬度表示不同的成分。 率，要求有较少的氧化物添加剂。因此，一类样品 对每个样品的密度、硬度、热导率和电导率进行 是三层Ａｇ／ＳｎＯ：材料的叠层，在各层中ＳｎＯ２的含 了测量。其中热导率用激光脉冲热导仪测量。２种材 量依次是５％、１０％和１５％，称为梯度材料。另一 料样品的开关性能通过同种材料配对进行测试 类样品也是由三层叠加而成，第一层是Ａｇ／ＺｎＯ （１２）是测试面，第二层是Ａｇ／ＺｎＯＣｄＯ（６＋６），最后 ２触头材料的性能参数 一层是Ａｇ／ＣｄＯ（１２），称为叠层材料。以上两类样 品采用传统的粉末冶金烧结技术制备。原料的纯 ２．１静态性能数 度均大于９９．９％。将配比好的原料研磨５ ｈ，然后 材料的一些基本物理参量如表ｌ所示。 Ｔ Ｉ－Ｊ —ｉ ｉ一 图１两类样品的成分分布图 裹１触头材料的部分静态性能参数 ２．２动态性能表征殛分析 寸较大的空洞。 将相同触头材料分成三组，配对进行动态性能 样品表面经过开关测试之后，表面Ｓｎ元素所 测试。主要测试的性能是触头材料工作表面的熔焊特 占比例变化见表２。从表２中可以看出，触头材料 性（即电侵蚀性）。图２分别是上述２种样品在电侵蚀 表面Ｓｎ元素所占比例是增加的。一个简单而叉明 前后的微观形貌图。图２ａ、图２ｂ为Ａｇ／ＳｎＯ：（５ｗ 一 朗的解释是。银在测试过程中损失掉了。众所周知， １０ｗｔ％一１５ｗｔ％）梯度材料；图２ｃ、图２ｄ为Ａ 银的熔点较低（９５０￣Ｃ）。在开关过程中。由电弧产生 ＺｎＯ１２ｗｔ％－Ａｇ／＇ＺｎＯ６ｗｔ％ＣｄＯ６ｗｔ％－Ａｇ／ＣｄＯ１２ｗｔ％ 的高温使表面银熔化、气化或者发生飞溅．从而导 叠层材料。测试前后表面相应的元素成分分析结果 致了表面银的损失。相对而言。ＳｎＯ 颗粒稳定性较 如表２所示。 好，熔点和气化温度高，不易损失，起到了很好了粘 对于Ａｇ／ＳｎＯ 梯度材料样品来说。电侵蚀之 滞作用，减小了因熔焊飞溅而导致的银的损失。同 后的表面有许多空洞，其平均直径约为１０ ｍ。尽 时也应该想到的是．电弧的温度一般超高．所以使 管未被电侵蚀的触头表面也有小孔。但其直径不到 ＳｎＯ：发生分解也是很有可能的。分解的部分０：在 ｌ Ｉｘｍ。显然，这些小孔经过电侵蚀之后．变成了尺 释放的过程中有可能加剧银的飞溅，这样一方面导 一一一一 图２ 电侵蚀前后两种触头材料的表面形貌 维普资讯 http://www.cqvip.com 一３６一 寰２电侵蚀前后触头寰面元素的分布湖北汽车工业学院学报ｗ ． ２００６年１２月 样品２相对于样品Ｉ来说，有较好的抗熔焊性。应 该归功于材料的叠层结构：ＺｎＯ在触头表面有助 于改善抗熔焊性，而在其以下的ＡｇＣｄＯ又有较好 的热导性．所以．在整体效果上提高了触头的开关 性能。 比较以上２种不同的触头材料表面得知。测 试前后。银含量的变化是类似的。但实验结果初 致银的损失，另一方面也会产生孔洞。对比ＡｇＳｎＯ： 步表明，叠层材料更适合制备性能较好的触头材 梯度触头材料测试前后的质量。可以发现。２５ ｍｉｎ 内进行１６００次开关实验之后．平均质量损失是 ２２．３ ｍｇ，在接触力为０．５ Ｎ的情况下，触头并没有 发生焊接现象．其中测试条件是２０Ａ，ＡＣ ３２Ｖ。文 献［４］给出了均匀ＡｇＳｎＯ２（１２）在７０Ａ、ＡＣ ２４．５Ｖ的 条件下，触头不发生熔焊的开关次数是３４０。尽管 两者的测试条件不同，具有不可比性。但是根据其 它各种文献的报道，有一点是可以肯定的，即含较 多的ＳｎＯ：可以防止触头材料的焊接。原因很简单： 弥散的ＳｎＯ：颗粒增加了熔融表面的粘滞度。这样 带来的一个主要问题是．在触头开关过程中，由于 较大的电阻率和较差的导热性．容易引起触头表面 的温升。所以，适当增加表面层ＳｎＯ：的含量以提高 抗熔焊性和抗电侵蚀性。同时适当减少此层以下 ＳｎＯ：的含量以提高和改善其散热能力，应该是协 调上述矛盾的一个可行方法。实验初步检验了这 种设计思想。 对于不同成分的叠层触头材料来说。在测试 前，其样品表面虽然在测试前也存在平均尺寸约 为ｌ ｍ的孔洞，但在通电开关测试之后，表面没 有出现明显的孔洞。如图２ｃ、图２ｄ。从图２ｄ中可 以看出，有熔融的银在表面聚集形成岛状区域，这 暗示了在触头开关过程中。其表面有银熔池出现。 这种大的富银区域在上述梯度触头材料中并没有 观察到。注意到ＺｎＯ的熔点（１９７５℃）要高于ＳｎＯ 的熔点（１６３０＇ｔ２），所以在相同的测试条件下，电弧 产生的高温热前者发生分解的几率要更小一些． 故开关测试之后．ＡｇＺｎＯ／ＡｇＣｄＯ叠层触头表面几 乎没有气孔出现。同时，触头表面的ＺｎＯ颗粒也 有效地防止了熔融银的飞溅。分析结果表明．在同 一测试条件下之后．叠层材料的的质量损失仅为 １．５６ ｎ１ｇ，远小于梯度叠层材料所损失的２２－３ ｍｇ。 料。 ４小 结 通过制备Ａｇ／ＺｎＯ１２ｗｔ％一Ａｇ／ＺｎＯ６ｗｔ％ ＣｄＯ６ｗｔ％一Ａｇ／ＣｄＯ１２ｗｔ％叠层材料和Ａｇ／ＳｎＯ２ （５ｗｔ％一１０ｗｔ％一１５ｗｔ％）梯度材料．发展了一种新的 有潜力的触头材料制备方法，这种触头材料的接触 性能可以得到改善。设计这种梯度型触头材料的一 个基本依据是：一方面在触头表面要有好的抗熔焊 性：另一方面在表面附近材料要有高的导热性和导 电性。根据这个思想。设计了以上两类触头材料。结 果显示具有不同成分过渡叠层的Ａｇ／ＺｎＯ１２ｗｔ％一 Ａｇ／ＺｎＯ６ｗｔ％ＣｄＯ６ｗｔ％一Ａｇ／ＣｄＯ１２ｗｔ％开关性能相 对较好，在３２Ｖ，ＡＣ ２０Ａ的条件下，２５ ｍｉｎ内开关 １６００次表现出较好的抗熔焊性．触头材料的质量 损失仅为１．５６ ｍｇ。需要强调指出的是。要想获得具 有更好开关性能的梯度型接触材料．其制备工艺必 须进一步改善和提高。如把叠层材料的每一层厚度 减小到能使掺杂的成分呈梯度分布，进而实现其有 效特性也能连续变化。 参考文献： 【１］程礼椿．电接触理论及应用［Ｍ］．北京：机械工业出版 社．１９８８．１－３． ［２］荣命哲．电接触理论［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４． １４０—１４６． ［３］张万胜．电触头材料国外基本情况［Ｊ］．电工合金，１９９５， （１）：１－２０． ［４］张逸成。李震彪，程礼椿，等．银金属氧化物触头材料 的表面劣化及抗熔焊性能分析［Ｊ］．中国电机工程学报， １９９９，（４）：５４—５８．
