Ag-ZnO電接觸材料制備及性能研究.pdf

1、銀基電接觸材料是以銀為基體通過不同方法構(gòu)建的多相體系或者復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于電流轉(zhuǎn)換電路，小功率控制信號(hào)電路。銀金屬氧化物具有相對(duì)較高的電導(dǎo)率及熱導(dǎo)率，良好的機(jī)械性能、抗熔焊性能以及抗氧化性能等優(yōu)異性能，得到了廣泛應(yīng)用。如銀氧化鎘具有低而穩(wěn)定的接觸電阻，強(qiáng)的耐電弧腐蝕能力等優(yōu)異性能，被譽(yù)為“萬能觸點(diǎn)”。但是銀氧化鎘環(huán)境污染、給操作和使用人員的人身安全帶來危害，歐盟、美國(guó)等相繼頒布《在電子電氣設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)》（Ro HS指令）

2、和《廢舊電氣電子設(shè)備》等系列條約限制了其使用。銀氧化鋅具有低而穩(wěn)定的接觸電阻、良好的抗熔焊性能、優(yōu)異的耐電弧腐蝕性能，在繼電器、接觸器、斷路器等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。然而， ZnO很容易地聚集到Ag和 ZnO的界面，惡化基體機(jī)械性能、電學(xué)性能以及抗電弧腐蝕性能，同時(shí)Ag和ZnO的混合物在電弧作用過程中會(huì)沉積在觸頭接觸表面并發(fā)生銀液滴的大量飛濺，最終導(dǎo)致觸點(diǎn)失效。
　　本文主要研究了 ZnO增強(qiáng)相改性和 Ag/ZnO電接觸材料的制備及

3、性能。首先采用共沉淀法和水熱法制備了不同形貌的 ZnO粉體，并結(jié)合氧化還原法、溶膠-凝膠法等實(shí)現(xiàn)了ZnO的改性；其次，分別以改性前后的ZnO粉體為增強(qiáng)相，采用粉末冶金法制備出Ag/ZnO電接觸材料，研究了增強(qiáng)相制備方法、形貌、表面改性及添加劑對(duì)復(fù)合材料力學(xué)和電學(xué)性能的影響；并通過熱壓、熱擠壓、旋鍛、拉拔、鐓制等工藝制備出Ag/ZnO絲材和鉚釘，考察了工藝及參數(shù)對(duì)絲材力學(xué)和電學(xué)性能的影響；探究了Ag/ZnO電接觸材料及元件的抗電弧腐蝕機(jī)制

4、。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下：
　?。ㄒ唬┽娪盟疅岱ā⒊恋矸ǖ确椒▽?shí)現(xiàn)了Zn O顆粒、微球和微米棒的可控制備，并通過氧化還原法、溶膠-凝膠法等對(duì)ZnO進(jìn)行了Ag包覆、氧化物包覆以及固溶改性，獲得了性能穩(wěn)定的改性ZnO粉體。（1）在160 oC、2 h水熱條件下，通過控制TEA含量可制備出具有棒狀、三角錐狀和球狀，平均粒徑為2?m~5?m的ZnO粉體，該粉體于800 oC煅燒后仍能保持穩(wěn)定形貌。（2）當(dāng)pH為9、反應(yīng)溫度為60 oC，以

5、十二烷基苯磺酸鈉為分散劑，采用氧化還原法可制備出Ag均勻包覆的球狀ZnO粉體。（3）使用溶膠凝膠法可成功制備NiO以及CuO包覆的球形ZnO粉體。其中NiO包覆ZnO之后會(huì)有固溶體 Zn0.2Ni0.8O的形成。六方纖鋅礦ZnO和立方NiO固溶體Zn0.2Ni0.8O兩相相對(duì)濃度分別為69.85（0.44）％和30.15（0.28）%。六方纖鋅礦 ZnO和單斜 CuO兩相相對(duì)濃度分別為75.20（0.40） wt%和24.80（0.26

6、） wt%。（4）在 Ni及Co為5 wt%，煅燒溫度為500 oC時(shí)，溶膠-凝膠法可制備固溶度較高、分散性較好的ZnO固溶體。
　　（二）以棒狀、球狀、顆粒狀ZnO，CuO@ZnO，NiO@ZnO以及ZnO固溶體粉體為增強(qiáng)相，采用粉末冶金法制備了Ag/ZnO電接觸材料，考察了制備方法、形貌、改性材料、添加劑、燒結(jié)溫度、時(shí)間等對(duì)復(fù)合材料相對(duì)密度、硬度、電導(dǎo)率以及電壽命等的影響，探討了電導(dǎo)率改善機(jī)制。（1）采用共沉淀法制備較大粒徑

7、ZnO作為增強(qiáng)相制備 Ag/ZnO電接觸材料具有相對(duì)優(yōu)良的機(jī)械及電學(xué)性能，其相對(duì)密度為95.2%，硬度為71.4 Hv，電阻率為2.43μΩ.cm。兩種Ag/ZnO電接觸材料在經(jīng)過電壽命檢測(cè)之后，其構(gòu)成相由結(jié)晶良好的結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)化為無定形態(tài)，表面形貌由包括明顯的孔、Ag富集區(qū)、Zn富集帶、Ag骨架、鼓泡區(qū)等典型腐蝕形貌組成。采用共沉淀法制備較大的粒徑 ZnO作為增強(qiáng)相制備 Ag/ZnO電接觸材料，有更小的質(zhì)量損失量，且腐蝕形貌中有縱向陣列的

8、 ZnO納米棒團(tuán)簇聚集區(qū)域出現(xiàn)。（2）ZnO增強(qiáng)相的分散性，尺寸及形貌對(duì)Ag/ZnO電接觸材料的性能具有顯著的影響。小粒徑顆粒狀 ZnO作為增強(qiáng)相制備的 Ag/ZnO電接觸材料具有最佳的機(jī)械以及電學(xué)性能，相對(duì)密度以及電導(dǎo)率分別為94.4%以及37 MS/m。大粒徑棒狀ZnO作為增強(qiáng)相制備的Ag/ZnO電接觸材料具有最少的質(zhì)量損失量及最佳的抗電弧腐蝕性能。（3）燒結(jié)溫度對(duì)Ag/ZnO電接觸材料性能具有顯著影響。使用不同氧化物包覆球形 Zn

9、O作為增強(qiáng)相制備 Ag/ZnO的最佳燒結(jié)溫度為850 oC。使用NiO包覆的球形ZnO制備的Ag/ZnO電接觸材料具有最優(yōu)的電導(dǎo)率、相對(duì)密度以及硬度，分別為34.8 MS/m、95.8%、52.8 Hv。C uO包覆的球形 ZnO作為增強(qiáng)相制備的 Ag/ZnO電接觸材料在同等條件下具有更少的質(zhì)量損失以及燃弧能量，分別為9.1 mg以及斷開燃弧能量為1700 mJ，閉合燃弧能量為800 mJ。（4）燒結(jié)溫度及燒結(jié)時(shí)間對(duì)使用不同添加劑制備的

10、Ag/ZnO電接觸材料的力學(xué)性能及電學(xué)特性具有顯著影響。CuO可有效改善Ag/ZnO電接觸材料性能，當(dāng)CuO同ZnO的添加比例為1:1時(shí)，850 oC下燒結(jié)4 h后具有最佳的機(jī)械性能、電學(xué)性能、耐電弧腐蝕性能及最少的質(zhì)量損失量。其電弧腐蝕表面除正常腐蝕形貌外，出現(xiàn)了ZnO納米棒陣列。當(dāng) ZnO同C uO比例為2:1時(shí)， ZnO納米棒的生成可以使用S VLS機(jī)理進(jìn)行描述。當(dāng) ZnO同C uO為1:1時(shí)， ZnO納米棒的生成可以使用SVS機(jī)

11、理進(jìn)行描述。（5）XPS分析可以被作為一種工具來預(yù)測(cè)Ag濺射程度相對(duì)強(qiáng)弱，在低電流條件下用來評(píng)估Ag/ZnO電接觸材料的的抗電弧性能，作為電接觸材料評(píng)估體系的補(bǔ)充參數(shù)。
　　（三）通過熱壓、熱擠壓、旋鍛、拉拔、鐓制等工藝制備出Ag/ZnO絲材和鉚釘，考察了拉拔次數(shù)對(duì)絲材力學(xué)和電學(xué)性能的影響，研究了負(fù)載電流、操作次數(shù)等對(duì)鉚釘電壽命的影響，探討了Ag/ZnO電接觸材料及元件的抗電弧腐蝕機(jī)制。（1）旋鍛、拉拔等大變形過程可改善Ag/Zn

12、O電接觸材料的性能。其中以棒狀 ZnO作為增強(qiáng)相制備的 Ag/ZnO電接觸材料具有最優(yōu)的性能。（2）隨著實(shí)驗(yàn)電流的增大，不同鉚釘質(zhì)量損失、熔焊力呈現(xiàn)逐步上升趨勢(shì)，燃弧時(shí)間及燃弧能量有一定幅度的降低。以棒狀ZnO作為增強(qiáng)相制備的鉚釘在低電流（9 A~40 A）條件下具有相對(duì)較低的質(zhì)量損失、燃弧時(shí)間以及燃弧能量，在高電流（50 A~60 A）條件下，有良好的穩(wěn)定性。隨著作用次數(shù)在相同電流作用下的增加，電弧侵蝕區(qū)域呈現(xiàn)中心發(fā)散式擴(kuò)展趨勢(shì)，且電