電觸頭材料制備新技術(shù)

1、電觸頭材料制備新技術(shù)摘要：總結(jié)了電觸頭材料的性能要求，介紹了國(guó)內(nèi)電觸頭材料的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進(jìn)展情況。綜述了近幾年來(lái)納米技術(shù)在電觸頭材料中的應(yīng)用概況,并展望了電觸頭材料的發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：電觸頭材料；納米技術(shù)；機(jī)械合金技術(shù)；銀基；銅基1 引言電觸頭是電器開(kāi)關(guān)、儀器儀表等的接觸元件,主要承擔(dān)接通、斷開(kāi)電路及負(fù)載電流的作用。因此, 它的性能直接影響著開(kāi)關(guān)電器的可靠運(yùn)行與壽命。而電觸頭材料則是開(kāi)關(guān)電器中的關(guān)鍵材料,開(kāi)關(guān)電器的主要性能以及壽命的長(zhǎng)短, 在很大程度上決定于觸頭材料的好壞。觸頭在實(shí)際使用過(guò)程中的情況非常復(fù)雜, 除了機(jī)械力和摩擦作用外,還有焦耳熱、電弧的灼燒, 以及因電流極性而產(chǎn)生的

2、材料轉(zhuǎn)移等, 這些都會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生影響;并且,對(duì)不同的材料來(lái)說(shuō), 影響也不盡相同。由于使用場(chǎng)合的不同, 對(duì)觸頭材料的要求也是多方面的1 , 通常要求它具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、低而穩(wěn)定的接觸電阻、高的耐磨損性(電磨損和機(jī)械磨損)、抗熔焊性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和一定的機(jī)械強(qiáng)度,對(duì)于真空觸頭材料還要求截?cái)嚯娏餍?、含氣量低、耐電壓能力?qiáng)、熱電子發(fā)射能力低等。目前, 應(yīng)用于弱電領(lǐng)域中的觸頭材料大多采用金和鉑族金屬及其合金(高的化學(xué)穩(wěn)定性)。在強(qiáng)電領(lǐng)域中主要有銀基觸頭材料(主要用于低壓電器、家用電器等)、銅基觸頭材料(主要用于真空斷路器等)和鎢基觸頭材料(用于高壓油路斷路器、SF6 斷路器、復(fù)合開(kāi)關(guān)等)。用

3、于生產(chǎn)制造的觸頭材料品種很多, 二元或多元復(fù)合觸頭材料共計(jì)有數(shù)百種, 廣泛應(yīng)用的觸頭材料只不過(guò)幾十種。在二元或多元體系中, 大部分觸頭材料形成的是“ 假合金” , 其制造工藝主要是粉末冶金法與熔煉法兩大類, 可以根據(jù)不同的成分和性能要求, 選用不同的制造工藝。隨著強(qiáng)電觸頭材料向著高電壓、大電流、大容量方向的發(fā)展以及弱電觸頭材料小型化、高壽命和高靈敏度的發(fā)展趨勢(shì), 對(duì)觸頭材料的要求越來(lái)越高。近年來(lái), 隨著冶金技術(shù)的不斷發(fā)展,國(guó)內(nèi)外在觸頭材料的制造技術(shù)方面有了很大的發(fā)展, 新工藝、新技術(shù)得到廣泛應(yīng)用, 如采用纖維強(qiáng)化冶金工藝制備出的鎢纖維、鎳?yán)w維等纖維強(qiáng)化觸頭材料具有優(yōu)良的電性能;德國(guó)發(fā)展了生產(chǎn)銀

4、石墨間接重復(fù)擠壓工藝, 得到了密度高、延伸性好的產(chǎn)品;此外, 燒結(jié)擠壓工藝、等靜壓技術(shù)、超聲波場(chǎng)中壓制成形技術(shù)以及機(jī)械合金化、離子注入等技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在觸頭材料的制備中, 觸頭材料的性能得到了很大的提高2。 興起于80 年代的納米技術(shù)已取得眾多成就,隨著科技進(jìn)步的日益加快和對(duì)納米技術(shù)廣泛而又深入的研究, 納米技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。納米技術(shù)在材料領(lǐng)域通過(guò)納米粒子以及各種超微細(xì)的結(jié)構(gòu)模塊, 導(dǎo)致產(chǎn)生出許多新的具有優(yōu)異性能和新的應(yīng)用可能的納米復(fù)合材料。納米材料由于組成晶粒超細(xì), 大量原子位于晶界上, 因而在機(jī)械性能、物理性能和化學(xué)性能等方面都優(yōu)于普通的粗晶材料。最近幾年這一技術(shù)在電觸頭材料的研

5、究和制備過(guò)程中已有了初步的應(yīng)用, 并取得了良好的效果。電觸頭材料的制造工藝，可分為兩類。一類是傳統(tǒng)工藝，大致歸納為9 種，一般粉末冶金法: 混合燒結(jié)法; 、熔浸法: 浸漬法; 和合金內(nèi)氧化法；另一類是有利于提高觸頭材料性能的粉末冶金新工藝，如纖維強(qiáng)化法、燒結(jié)擠壓法、等靜壓法、離子注入、電弧熔煉和電火花成型燒結(jié)法。生產(chǎn)銅基銀基觸頭最常用的是粉末冶金法。粉末冶金法是將機(jī)械混合的粉末采用粉末冶金技術(shù)制備出電觸頭塊體材料。但機(jī)械混合粉末常常由于混合不均勻、粉末團(tuán)聚等因素，嚴(yán)重地影響著燒結(jié)材料的機(jī)械物理性能和電性能。機(jī)械合金化作為一種制備合金粉末的新工藝，可以在原子級(jí)水平進(jìn)行合金化。因此，對(duì)于制備混合均

6、勻、性能進(jìn)一步提高的觸頭材料來(lái)說(shuō)具有十分重要意義和應(yīng)用前景3。2 電觸頭材料的性能要求 電觸頭亦稱觸頭或接頭，是高、低壓電器開(kāi)關(guān)，儀器儀表中的重要元器件，它擔(dān)負(fù)著電路間接通與斷開(kāi)，同時(shí)負(fù)載相應(yīng)電路中電流的任務(wù)。隨著高壓輸變電網(wǎng)大容量、超高壓的發(fā)展，低壓配電系統(tǒng)與控制系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化水平，靈敏程度要求的提高，以及電子工業(yè)產(chǎn)品的現(xiàn)代化，對(duì)電觸頭提出愈來(lái)愈高的功能要求和長(zhǎng)壽命的使用要求。因此，有關(guān)電觸頭材料近年來(lái)得以迅速發(fā)展，并為各先進(jìn)工業(yè)化國(guó)家所關(guān)注。電觸頭材料在開(kāi)關(guān)電器中的功能是在電路中接通和斷開(kāi)電流。開(kāi)關(guān)電器對(duì)觸頭材料的要求，最重要的是以下幾個(gè)方面。（1） 物理性能：要求具備低的電阻率和蒸汽壓，高

7、的熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶化熱和升華熱，并且熱穩(wěn)定性好，熱容量大，電子逸出功高，以保證起弧電壓高和最低的電流。（2）機(jī)械性能：要求室溫及高溫強(qiáng)度高、硬度高，并且塑性與韌性好。（3）電接觸性能：要求耐電弧燒損和接觸電阻低而穩(wěn)定，熔焊及金屬轉(zhuǎn)移的傾向小。（4）化學(xué)性能：要求對(duì)較寬范圍的不同介質(zhì)有良好的耐蝕性能，在大氣中不易氧化、碳化、硫化及形成不易導(dǎo)電的化合物或鹽渣膜層，即使形成氧化物或硫化物，其揮發(fā)性應(yīng)高。要求電化學(xué)電位高，耐化學(xué)腐蝕和氣體溶解的傾向小。（5）加工制造性能：要求易被焊接，采用釬焊或用其他方法固定到觸座、觸極上4。3 納米技術(shù)在電觸頭材料中的應(yīng)用概況3.1 納米技術(shù)在Cu 基合金觸頭

8、材料中的應(yīng)用3.3.1 Cu-Cr 系Cu-Cr合金由于具有高的耐電壓強(qiáng)度、大的分?jǐn)嚯娏髂芰?、良好的抗熔焊性以及較低的截流值等優(yōu)異性能, 是目前廣泛用于真空斷路器的觸頭材料。 材料的顯微組織對(duì)其電性能有很大的影響, 隨著材料晶粒的細(xì)化可使真空滅弧室絕緣強(qiáng)度升高,最大截流值降低, 綜合性能有很大改善.因此, 制備出晶粒更加細(xì)小、具有均勻組織結(jié)構(gòu)的納米晶Cu-Cr材料, 具有重要的理論價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。西門子公司采用電弧自耗電極熔煉法獲得的Cu-Cr觸頭材料晶粒很細(xì), 大小只為熔滲法制備的十分之一。能夠可靠地分?jǐn)?6 KV/40 KA 或12 KV/63 KA 的短路電流。胡連喜等采用機(jī)械合金

9、化(球磨轉(zhuǎn)速350 rmin-1 , 球料比101 , 球磨時(shí)間45 h , Ar 氣保護(hù)氣氛)及熱靜液擠壓技術(shù)(擠壓比16 , 擠壓溫度600 )得到晶粒尺寸100nm 左右的高強(qiáng)度高導(dǎo)電性的Cu-5 %Cr 擠壓塊體材料。他認(rèn)為該法制備的Cu-5 %Cr 合金性能提高有兩方面原因:一方面是在機(jī)械合金化過(guò)程中形成了Cr 在Cu 基體中的超飽和固溶, 在隨后的熱擠壓制備過(guò)程中析出產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化;另一方面由于機(jī)械合金化過(guò)程使合金晶粒充分細(xì)化和均勻化而引起細(xì)晶強(qiáng)化, 同時(shí)未固溶的Cr粒子細(xì)化后起到了彌散強(qiáng)化的作用5。Morris采用熔甩技術(shù)制備了含2 %和5 %Cr的納米晶Cu-Cr 合金。他們?cè)诤?/p>

10、氣氛中將配比好的Cu-Cr 合金在石英坩堝中熔化, 將熔體在氦氣氛中通過(guò)石英噴嘴噴射到以36 ms-1旋轉(zhuǎn)的銅-鈹合金轉(zhuǎn)盤上, 制備出30m 厚, 3 mm 寬的Cu-Cr 合金條帶, 條帶中Cr 粒尺寸小于100nm 。該材料機(jī)械性能和電性能都較常規(guī)Cu-Cr 觸頭材料有較大提高6。文獻(xiàn)7 還介紹了一種霧化法可制備得到納米晶Cu-Cr 合金粉末, 再用傳統(tǒng)的粉末冶金方法使霧化粉末致密化即可得到細(xì)晶的Cu-Cr 觸頭材料7。對(duì)這種合金進(jìn)行耐電壓性能測(cè)試表明, 霧化法制備的Cu-Cr 觸頭在無(wú)電流分合閘操作后, 表面更為光滑, 從而具有更高的耐電壓強(qiáng)度;而常規(guī)Cu-Cr 觸頭經(jīng)老煉所得到的表面細(xì)

11、晶在分合閘后被破壞, 暴露出下層的粗晶組織, 耐電壓強(qiáng)度大為降低。付廣艷等8利用磁控濺射制備Cu-Cr 合金涂層材料并結(jié)合文獻(xiàn)系統(tǒng)研究了不同工藝制備的Cu-Cr 真空觸頭材料的高溫氧化行為。濺射參數(shù)如下:電壓700 750 V , 功率密度5 Wcm-2 , 氬氣壓力0 .5 Pa , 基體溫度300 , 濺射時(shí)間9 h ,濺射層厚度約25m 。所制備的濺射Cu-Cr 合金涂層兩相顆粒極細(xì), 用透射電鏡測(cè)得其晶粒大小約15nm 。作者發(fā)現(xiàn)含90 %Cr 的鑄態(tài)Cu-Cr 合金,含50 %Cr 的粉末冶金Cu-Cr 合金及含40 %Cr 的機(jī)械合金化Cu-Cr 合金在空氣中高溫氧化均未形成單一的

12、Cr2O3 膜, 而納米晶CuCr40 合金涂層卻形成了單一的Cr2O3 膜, 經(jīng)分析認(rèn)為晶粒細(xì)化對(duì)活潑組元的選擇性氧化有重要影響, 晶粒細(xì)化可使活潑組元的擴(kuò)散方式以晶界擴(kuò)散為主, 從而降低活潑組元發(fā)生選擇性氧化的臨界濃度。3.3.2 Cu-W 系Cu-W合金是一種重要的應(yīng)用于中等電壓(1 36kV)真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)和接觸器的觸頭材料。Cu-W兩組元屬于非互溶體系,這一混合體系具有正的混合焓, 通過(guò)常規(guī)的熔煉方法得不到合金, 而納米技術(shù)中的機(jī)械合金化工藝在制備性能優(yōu)異的納米晶材料的同時(shí)還能方便地制備合金, 并能實(shí)現(xiàn)非互溶體系的合金化9。研究發(fā)現(xiàn):超細(xì)的強(qiáng)化相顆粒(W 顆粒)均勻分布在基體上, 起到

13、了很好的細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用, 且W 顆粒和基體Cu 之間粘結(jié)較好,使材料的硬度、抗機(jī)械和電磨損性能提高。Tousimi等采用機(jī)械合金化制備了非互溶體系Cu-W(Cu80W20)納米晶復(fù)合材料, 由于材料的致密度較低, 含有較多的氣孔, 因而硬度稍低于常規(guī)的觸頭材料, 但其具有相當(dāng)好的電導(dǎo)率。通過(guò)調(diào)整粉末的成型燒結(jié)工藝和隨后熱處理, 可以使材料的硬度和電導(dǎo)率得到較佳的配合。3.4 納米技術(shù)在Ag基合金觸頭材料中的應(yīng)用3.4.1 Ag-Ni 系A(chǔ)g-Ni 觸頭材料不僅具有良好的導(dǎo)電性、耐電損蝕性以及低而穩(wěn)定的電阻外, 還具有良好的塑性和可加工性能, 唯一的缺點(diǎn)是抗熔焊性稍差。鄭福前等通過(guò)機(jī)械合

14、金化工藝制備了Ag-10Ni 納米晶觸頭材料,該材料同常規(guī)機(jī)械混粉粉末冶金的觸頭材料相比,Ni粒子在Ag 基體中的分布情況要細(xì)小、均勻而且彌散得多。與化學(xué)共沉淀、機(jī)械混粉法制備的合金觸頭的電接觸對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明:采用機(jī)械合金化制備的Ag-10Ni 納米晶合金無(wú)任何粘著和熔焊現(xiàn)象, 明顯優(yōu)于另外兩種工藝制備的材料。其原因在于強(qiáng)化相粒子Ni 從亞穩(wěn)的Ag-Ni 固溶體體中脫溶出來(lái), 在Ag 基體中細(xì)小而彌散分布, 明顯地提高了合金的力學(xué)、電學(xué)和電接觸性能。為進(jìn)一步提高Ag-Ni 系觸頭材料的抗熔焊性, 采用機(jī)械合金化技術(shù)日本已成功研制出了斷路器用具有高的抗熔焊性的Ag-Ni-C 納米晶觸頭材料10。3

15、.4.2 Ag-Me-O 系A(chǔ)g-Me-O 觸頭材料耐蝕型好、抗熔焊能力強(qiáng)、接觸電阻低而穩(wěn)定。Ag-Me-O 觸頭材料的物理性能和電性能主要由所采用的制粉工藝決定, 也就是與粉末混合均勻程度和氧化物相在銀基上的分布有關(guān),亦即制成材料中彌散相的粒度和粒子分布是決定材料性能的關(guān)鍵因素。機(jī)械混粉法、噴涂-共沉淀法制備了Ag-10.8ZnO 粗晶觸頭材料, 同時(shí)采用機(jī)械合金化法制備了相同成分的納米晶觸頭材料。研究結(jié)果表明:機(jī)械合金化法制備的納米晶材料, 由于材料基體晶粒細(xì)化所產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制及Zn-O強(qiáng)化相在銀基上呈了較佳的彌散分布所帶來(lái)的彌散強(qiáng)化機(jī)制, 提高了觸頭材料的硬度,使觸頭在使用中的抗機(jī)械

16、磨損性能和電壽命有很大的提高。Joshi 等采用機(jī)械合金化法制備的Ag-Me-O 類納米晶觸頭, 與采用常規(guī)粉末冶金工藝制備的Ag-Cd-O, AgSnO2 粗晶觸頭相比, 前者具有優(yōu)良的性能:硬度高, 密度幾乎等于其理論密度, 電導(dǎo)率高, 氧化物在銀基體中彌散分布。Lee 等通過(guò)機(jī)械合金化工藝制備了AgSnO2 納米復(fù)合粉, 經(jīng)電鏡觀察發(fā)現(xiàn)納米SnO2 顆粒均勻彌散分布在較細(xì)的銀的基體上, 利用熱擠壓技術(shù)制備了致密的納米SnO2 顆粒彌散強(qiáng)化細(xì)晶Ag SnO2 觸頭材料, 其是一種性能良好的電觸頭材料11。3.4.3Ag-C 系A(chǔ)g-C 電接觸材料由于具有良好的抗熔焊性和導(dǎo)電性、低而穩(wěn)定的接

17、觸電阻及優(yōu)異的低溫升特性, 被廣泛應(yīng)用于各種各樣的保護(hù)電器上。但由于C有穩(wěn)定電弧的傾向及在空氣中的熱穩(wěn)定性差, 因而該材料的抗電弧腐蝕性能相比其它Ag 基觸頭材料較差。目前主要采用燒結(jié)擠壓法及纖維強(qiáng)化等工藝手段來(lái)提高該材料的機(jī)械性能和電性能。通過(guò)高能球磨工藝制備出納米C 粉, 利用化學(xué)鍍?cè)淼玫郊{米晶Ag-C 包復(fù)粉(銀基體平均晶粒尺寸30 50nm), 對(duì)比燒結(jié)成形后其機(jī)械物理性能及與其它工藝同類產(chǎn)品性能,從中可見(jiàn)納米晶Ag-C觸頭材料的性能得到了極大的優(yōu)化。該材料的電性能在進(jìn)一步研究中。4 納米技術(shù)在觸頭材料中的應(yīng)用前景展望當(dāng)應(yīng)用納米技術(shù)使電觸頭材料晶粒超細(xì)化后,將會(huì)導(dǎo)致材料的蒸氣壓、電導(dǎo)

18、率、熱導(dǎo)率、強(qiáng)度及硬度等許多性質(zhì)發(fā)生明顯變化, 并隨之引起材料微觀組織的進(jìn)一步均勻化及電性能的改善?？偟膩?lái)說(shuō), 對(duì)于納米技術(shù)在觸頭材料上的應(yīng)用研究才剛開(kāi)始, 尚有許多工作待做。已經(jīng)制備出的納米晶觸頭材料還存在氣體含量偏高、致密度較低等缺陷, 因而阻礙了材料電性能的大幅度提高。不過(guò)鑒于已經(jīng)應(yīng)用納米技術(shù)制備得到的觸頭材料機(jī)械性能和電性能的優(yōu)異表現(xiàn);可以預(yù)料, 納米晶觸頭材料必將是本世紀(jì)該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一, 納米技術(shù)在電觸頭材料上的應(yīng)用將會(huì)取得更多的成果。參考文獻(xiàn)1張萬(wàn)勝.電觸頭材料國(guó)外基本情況 J .電工合金, 1995 ,(1):1 .2翁桅.我國(guó)低壓電器用觸頭材料的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) J .低壓電器, 1995 , 2:49 .3Ding B J , Yang Z M , Wang X T .Influence of microstructure on dielectric strength of Cu-Cr contact mat erials in vacuum J .IEEE Trans on CPMT , 1996 , 19A(1):76 .4Muller R.Arc-melted Cu-Cr alloys as con