多组元改性铜基电接触复合材料的研究

发布时间：2020-05-26 01:03

【摘要】：电触头作为电器开关中的关键元件,其性能直接影响到开关运行的可靠性和使用寿命。在低压电器中的电接触材料大部分都是由银的复合材料加工而成。但是银非常稀缺且价格昂贵这导致其在使用上受到许多限制。由于铜基电接触材料有较好的导电性,并且材料的成本较低,所以用其代替银基电接触材料的应用前景非常广阔。但铜作为电接触材料使用时,容易被氧化形成不导电的氧化膜且电弧侵蚀和熔焊倾向比较严重,严重影响了触头材料性能的稳定性。本文针对铜基电接触材料容易出现的问题展开研究。由于电触头材料在实际应用时对性能要求多样,一种金属单质材料不能同时满足应用要求,通常把两种或多种金属或非金属组合在一起,制成复合材料。所以,本论文尝试添加不同组元通过材料成分设计,发挥各添加组元之间的优势,以提升材料的综合性能。论文首先对碳纳米管、石墨烯和纳米碳粉三种性能优异的纳米碳材料对铜组织与性能的影响进行研究,通过正交分析实验研究纳米碳的种类、添加量以及球磨时间对材料性能的影响。结果表明,硬度随纳米碳添加量的增加先增大后减小,而电导率随碳含量的增加而逐渐减小,电导率随球磨时间的增加先增大后减小。通过综合分析确定性能较优的纳米碳材料为石墨烯,球磨时间确定为4h。随后论文对石墨烯增强铜基电触头材料进行了探讨。由于石墨烯比表面积大,表面活化能高,容易团聚,与铜基体相容性差。所以本文通过对石墨烯进行表面镀银处理,以增强石墨烯与铜基电接触材料的浸润性,同时对铜粉进行化学镀银处理以提高其抗氧性并探究不同含银量对其性能的影响。经过粗化、敏化、活化等镀前预处理以及化学镀过程,在石墨烯表面成功镀上了一层金属银。实验中采用两种方法对铜粉表面进行化学镀银。结果显示,经过敏化、活化预处理过试样的镀银效果明显优于在铜粉表面直接进行化学镀的试样。最后通过粉末冶金法制备铜基电接触材料,结果显示随着石墨烯含量的增加,两组试样的相对密度和硬度先增大后减小,而电导率呈现逐渐下降的趋势;对比触头材料各方面性能,镀银处理试样均优于未处理试样;通过对材料的结构和性能的综合分析,当镀银石墨烯添加量为0.2wt.%时性能最佳,此时的相对密度、硬度、氧化增重和IACS分别为90%,53.4HB,1.6mg/cm~2和76.2%IACS。为提高触头材料的力学性能、抗电弧侵蚀及熔焊性能,实验研究了不同金属氧化物(ZnO、SnO_2)随镀银铜粉含银量不同对材料性能的影响,通过对结果进行对比分析可知:随银含量的增加,试样的致密度和硬度先增加后减小,而电导率逐渐下降。MeO的加入可大幅降低铜基材料的摩擦系数,使材料的耐摩擦磨损能力显著提高,其中添加SnO_2试样的耐摩擦性能优于添加ZnO的试样。添加MeO可有效提高材料的抗电弧侵蚀能力,两组试样之间的抗电弧侵蚀能力相差不大,但相比纯铜试样效果提升显著。当触头在相互接触时会产生接触电弧,电弧会使试样的表面瞬间升温,在触头接触的区域熔化形成熔池。由于SnO_2和ZnO颗粒在基体中弥散分布,使得熔池的粘度增加,从而使金属液滴在粘性力的作用下飞溅减少,可显著提高材料的抗电弧侵蚀能力。综合分析可知,确定银含量为3wt.%的镀银铜粉,且添加SnO_2试样的性能最优。通过添加稀土元素(Pr、Nd、Sm)以改善铜的抗氧化性并研究不同稀土及含量对铜基电接触材料性能的影响。在金属铜中添加稀土,可以使材料的氧化增重大幅度下降,下将幅度为24.4%,有效提高了材料的抗氧化能力。这主要得益于稀土活泼的化学性质,可以通过固溶以及在铜表面形成一层结构致密且连续的氧化物层,阻碍了铜离子和氧穿越氧化层的扩散过程,从而降低了铜基触头材料的氧化速率。材料的抗氧化能力从高到低依次为添加Nd、Pr、Sm的试样。稀土元素能细化晶粒,随稀土含量的增加试样的硬度逐渐增加,摩擦系数逐渐降低,显著提升了材料的力学性能。但随着稀土含量的增加,试样电导率呈下降的趋势。
【图文】：

示意图,导电斑点,电流线,情况

图 1.1 导电斑点附近电流线收缩情况示意图触材料电弧理论方面，Boddy 发现触头间隙的电弧分为金属种。金属蒸汽态电弧主要是由于在两电极分离时金属液桥断于金属离子扩散作用而密度降低，，周围的气体分子电离对电触材料的抗熔焊能力、分断能力方面，A.Tslf[5]指出，当假设升和接触压降的关系，提出 Kw1作为抗熔焊的依据：电阻率，λ 为导热系数，H 为硬度，θ0为环境温度，θm为材的抗熔焊能力越强。

分子结构图,碳材料,分子结构

图 1.2 多种碳材料分子结构在铜基复合材料中的应用一种导电性良好的金属，但其直接作为导电元件时存在容易氧化的问题的寿命。稀土在合金材料中的应用广泛，常被称为金属材料的“维生素特的金属和化学性质能够在添加微量的基础上大幅提升材料的物理、化如，在钨电极中添加少量稀土可改善电弧特性，提高使用寿命。稀土对用主要体现在以下几点：土对铜合金组织结构的影响用铜中含有多种杂质，这些杂质在很大程度上影响铜及铜合金的力学性能，而添加微量稀土可除去有害杂质从而有效净化铜合金的组织[31-34]。铜合金的组织。细化组织主要通过细化晶粒，减少树枝晶和柱状晶来实
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】