Cu-Ti_3SiC_2梯度电工材料的制备及其电性能的研究

发布时间：2017-10-09 21:05

  本文关键词：Cu-Ti_3SiC_2梯度电工材料的制备及其电性能的研究

  更多相关文章： Cu-Ti3SiC2 梯度材料 扩散偶 烧蚀行为 摩擦磨损

【摘要】：电接触材料是一种特殊的导电材料,它不仅要求有良好的导电导热性、低的接触电阻、抗熔焊等,而且根据使用条件不同,要求更严格,如触头材料要求有抗电弧侵蚀能力,滑动电接触材料要求有减摩、耐磨性好等。梯度材料作为一种新材料,它能够实现从金属到陶瓷的连续过渡,将金属和陶瓷的性能很好地结合在一起。Ti3Si C2具有金属和陶瓷两者的特性,可作为铜基材料的增强相用以制备电接触材料。本研究制备出Cu-Ti3Si C2梯度复合材料,以高Ti3Si C2含量的一端作为电接触材料的工作面,另外以纯Cu的一端作为导电端,以梯度的形式将高Ti3Si C2含量的一端和纯Cu的一端连接起来,可以提高材料的导电性能和降低材料开裂的可能。本项目在制备出高纯Cu-Ti3Si C2复合材料和Cu-Ti3Si C2梯度材料的基础上,研究了Cu-Ti3Si C2复合材料在真空电弧下的烧蚀行为和在带电条件下的摩擦磨损行为。通过DSC和扩散偶实验研究了Cu/Ti3Si C2在高温下的热稳定性。Cu和Ti3Si C2在800℃时可稳定共存;Cu和Ti3Si C2在更高温度下会发生反应,Ti3Si C2主要分解成Ti C,释出的Si与Cu形成Cu(Si)固溶体(或Cu-Si化合物),同时还会生成Ti Si2和Ti5Si3Cx等过渡相。采用先压制成型后放电等离子烧结(SPS)的方法制备了Cu-Ti3Si C2复合材料和Cu-Ti3Si C2梯度材料。研究了压制压力和烧结温度对材料性能的影响。试验结果表明:Cu-Ti3Si C2复合材料的密度、硬度及抗弯强度随着压制压力的增加而提高,电阻率则随之降低,实验结果表明1000 MPa是理想的压制压力;当烧结温度超过800℃时,Cu和Ti3Si C2发生反应生成杂质Ti C和Ti5Si3。以表面镀有铜的Ti3Si C2粉末和电解铜粉为原料,采用145℃温压成型,700℃真空SPS制备出了纯净的Cu-Ti3Si C2复合材料。采用温压成型低温SPS(750℃)和温高速冲压成型低温SPS(750℃)两种方法制备出了Cu-Ti3Si C2梯度材料,其微观组织显示层与层之间没有明显的界线且结合良好,无明显缺陷和颗粒团聚。研究了Cu-Ti3Si C2复合材料在真空电弧下的烧蚀行为。研究发现,在真空电弧的影响下Cu-Ti3Si C2阴极表面的Ti3Si C2颗粒发生分解,分解产物的主要组成相有C和Ti C。随着Ti3Si C2含量的增加,Cu-Ti3Si C2阴极表面的粗糙程度逐渐增加,并且有颗粒状熔滴凸起。从Cu-Ti3Si C2阴极侵蚀区的纵切面可以清晰看到与经典的阴极蚀坑形成过程模型相符的状似沸腾的形貌。随Ti3Si C2含量的增加,沸腾状形貌逐渐减少,同时触头表面的侵蚀程度加剧。以Cu-20 mass%Ti3Si C2为例,开始时Ti3Si C2在电弧高温下分解,阴极表面侵蚀区有熔滴和主要由Cu、C混合物和部分发生分解的Ti3Si C2所组成的覆盖物;随着燃弧次数的增加,分解的Ti3Si C2增多,熔滴中的气孔(是Si或含Si化合物气化后所留下)增多,且熔滴开始变为熔融体;随着燃弧次数的进一步增加,侵蚀区的Ti3Si C2基本完全分解、大部分Si已逸出,且大量气孔被熔融Cu所充填;2000次燃弧后,侵蚀区的熔融体在等离子力的反复影响下被整合成熔化层,其形貌与阴极斑点影响区模型相符。这说明Cu-Ti3Si C2复合材料的侵蚀机理与金属材料的侵蚀机理基本相同,但多了一个Ti3Si C2的分解过程。Ti3Si C2的分解需要消耗大量的能量,因而降低电极的表面温度,减少Cu的损失。通过质量损失测试实验,发现Cu-Ti3Si C2阴极质量损失速率与Ti3Si C2含量呈线性关系,随Ti3Si C2含量的增加而增大。研究了Cu-Ti3Si C2复合材料的摩擦磨损行为。适当增加材料中的Ti3Si C2含量,可有效提高Cu基复合材料的综合性能并改善其摩擦、磨损行为;复合材料的纯度是影响Cu-Ti3Si C2复合材料摩擦、磨损特性的关键因素;通电条件下的摩擦系数和磨损量均比在不通电条件下的摩擦系数和磨损量要高。同样,在加热条件下的摩擦系数和磨损量都比在不加热条件下的摩擦系数和磨损量要高。不带电的情况下,磨损面上的磨痕较浅;而带电情况下磨损面上的磨痕较深,粘着磨损较为严重。随着Ti3Si C2含量的增加,粘着磨损减轻。
【关键词】：Cu-Ti3SiC2 梯度材料 扩散偶 烧蚀行为 摩擦磨损
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-31
• 1.1 电工材料与电接触材料13
• 1.2 真空触头材料的研究现状13-17
• 1.3 大功率滑动电接触材料的研究现状17-21
• 1.3.1 电刷材料的研究现状17-19
• 1.3.2 受电弓滑板材料的研究现状19-21
• 1.4 梯度材料的研究现状21-23
• 1.5 真空触头抗电弧侵蚀的研究现状23-25
• 1.6 Cu-Ti_3Si C_2 复合材料的研究现状25-29
• 1.6.1 Ti_3Si C_2 的结构及性质25-27
• 1.6.2 国内外的研究27-28
• 1.6.3 近年来本课题组的相关研究28-29
• 1.7 本课题的研究内容及意义29-30
• 1.7.1 本课题的研究内容29-30
• 1.7.2 本课题的研究意义30
• 1.8 课题来源30-31
• 第二章 Cu/Ti_3SiC_2 扩散偶的界面反应研究31-53
• 2.1 高纯Ti_3Si C_2 粉末和块体的制备31-34
• 2.1.1 高纯Ti_3Si C_2 块体和Ti_3SiC_2 粉末的制备31-33
• 2.1.2 高纯Ti_3Si C_2 块体的制备33-34
• 2.2 Cu-Ti_3Si C_2 复合材料的DSC实验34-36
• 2.3 扩散偶的实验材料及实验方法36-37
• 2.3.1 实验材料36
• 2.3.2 实验方法36-37
• 2.4 实验结果及分析37-52
• 2.4.1 800℃热处理后Cu/Ti_3SiC_2 扩散偶的界面反应研究37-38
• 2.4.2 900℃热处理后Cu/Ti_3SiC_2 扩散偶的界面反应研究38-41
• 2.4.3 1000℃热处理后Cu/Ti_3SiC_2 扩散偶的界面反应研究41-45
• 2.4.4 1150℃热处理后Cu/Ti_3SiC_2 扩散偶（液相）的界面反应研究45-52
• 2.5 本章小结52-53
• 第三章 Cu-Ti_3Si C_2 梯度电工材料的制备53-64
• 3.1 Cu-Ti_3Si C_2 复合材料的制备53-58
• 3.1.1 压制压力对Cu-Ti_3Si C_2 复合材料性能的影响53-54
• 3.1.2 SPS烧结温度对Cu-Ti_3SiC_2 复合材料性能的影响54-56
• 3.1.3 Cu-Ti_3Si C_2 复合材料的制备56-58
• 3.2 Cu-Ti_3Si C_2 梯度电工材料的制备58-63
• 3.2.1 温压成型低温SPS烧结制备Cu-Ti_3SiC_2 梯度材料58-61
• 3.2.2 温高速冲压成型低温SPS烧结制备Cu-Ti_3SiC_2 梯度材料61-63
• 3.3 本章小结63-64
• 第四章 Cu-Ti_3Si C_2 真空触头材料的电弧侵蚀64-90
• 4.1 电弧侵蚀性能测试设备的设计64-65
• 4.2 Cu-Ti_3Si C_2 触头材料的电弧侵蚀实验65-88
• 4.2.1 一次燃弧后的Cu-Ti_3Si C_2 阴极66-69
• 4.2.2 50 次燃弧后的Cu-Ti_3Si C_2 阴极69-77
• 4.2.3 多次燃弧后Cu-Ti_3Si C_2 阴极的纵切面分析77-88
• 4.3 Cu-Ti_3Si C_2 阴极的质量损失88-89
• 4.4 本章小结89-90
• 第五章Cu-Ti_3Si C_2 复合材料的摩擦磨损行为90-104
• 5.1 带电摩擦磨损性能测试装置的设计90-91
• 5.2 Cu-Ti_3Si C_2 复合材料的摩擦磨损实验91-102
• 5.2.1 950℃ SPS烧结Cu-Ti_3SiC_2 复合材料的摩擦磨损行为91-97
• 5.2.2 温压后 700℃ SPS烧结高纯Cu-Ti_3SiC_2 复合材料的摩擦磨损行为97-102
• 5.3 本章小结102-104
• 结论104-107
• 一主要的研究结论104-105
• 二创新之处105-107
• 参考文献107-117
• 攻读博士学位期间取得的研究成果117-119
• 致谢119-120
• 附件120

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 杨连威;姚广春;陆阳;;新型高性能电力机车受电弓滑板的研究[J];材料导报;2005年11期

2 卜恒勇;赵诚;卢晨;;功能梯度材料的制备与应用进展[J];材料导报;2009年23期

3 郭聪慧,段文新,杨志懋,王伟,王学成,丁秉钧;CuCr触头材料电弧腐蚀速率的测定[J];稀有金属材料与工程;2005年02期

4 李震彪,张逸成;真空触头材料的性能分析比较[J];低压电器;1998年03期

5 邹俭鹏,阮建明,周忠诚,申雄军,周智华;功能梯度材料的设计与制备以及性能评价[J];粉末冶金材料科学与工程;2005年02期

6 赵来军;李震彪;王珂;邱安宁;李慧杰;;纳米CuCr50触头材料电弧侵蚀特性[J];高压电器;2012年05期

7 李信;刘海昌;滕元成;鲁伟员;;功能梯度材料的研究现状及展望[J];材料导报;2012年S1期

8 堵永国,张为军,胡君遂;电接触与电接触材料(一)[J];电工材料;2005年02期

9 马涛;赵忠民;刘良祥;高超;黄雪刚;;功能梯度材料的研究进展及应用前景[J];化工科技;2012年01期

10 冼爱平,朱耀宵;Cu-Cr触头合金制备技术的发展[J];金属学报;2003年03期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 王娟;载流条件下CNTs-Ag-G电接触材料滑动摩擦磨损性能研究[D];合肥工业大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 郑军君;Ti_3SiC_2增强Cu基复合材料及金属/Ti_3SiC_2-SiC层状材料的制备研究[D];华南理工大学;2011年

2 陈树涛;Cu/Ti_3SiC_2真空触头材料的制备与电接触性能研究[D];北京交通大学;2009年

，

本文编号：1002389