新型AgC電接觸材料制備及其性能研究.pdf

1、基于納米材料誘人的特性和應(yīng)用前景，本論文首次將納米技術(shù)應(yīng)用在AgC觸頭材料的制備中，研制出性能優(yōu)異的新型AgC觸頭，并對(duì)其機(jī)械物理性能和耐電弧磨損性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。 為整體改善傳統(tǒng)機(jī)械混粉AgC觸頭的機(jī)械物理性能和耐電弧磨損性能，首先從粉體制備上入手，引入化學(xué)包覆工藝改善其成分偏聚和組織不均勻性，采用高能球磨獲得納米級(jí)石墨，作為后續(xù)銀原子非均質(zhì)形核核心，結(jié)合還原劑液相噴霧技術(shù)制備出納米晶AgC包覆粉，利用該粉體良好的燒結(jié)致密性

2、能實(shí)現(xiàn)了塊體觸頭性能的全面改善。 以純度為C％＞99.5％、粒度為200目的石墨粉為原料，通過(guò)QM-1SP型行星式球磨機(jī)，經(jīng)過(guò)最佳球磨時(shí)間10h高能球磨后，制備出一維納米級(jí)石墨，平均厚度50-60nm。對(duì)球磨包覆Ag-5％C粉的X衍射測(cè)試表明，制備的包覆粉中Ag的平均晶粒尺寸約為50nm。 論文研究了制備出的納米晶AgC包覆粉體的燒結(jié)性能及其塊體觸頭材料的機(jī)械物理性能，研究了球磨時(shí)間對(duì)觸頭性能及組織的影響以及燒結(jié)溫度對(duì)其

3、性能的影響，對(duì)AgC體系三種不同的粉體制備工藝觸頭材料進(jìn)行了組織和機(jī)械物理性能對(duì)比分析并建立了簡(jiǎn)要的機(jī)理模型分析，研究了納米晶包覆粉的配比添加對(duì)常規(guī)機(jī)械混粉觸頭性能的影響。 研究結(jié)果表明，隨著球磨時(shí)間的增加，AgC塊體觸頭出現(xiàn)了石墨定向組織。電導(dǎo)率均勻組織時(shí)最高，出現(xiàn)石墨定向組織時(shí)降低，又隨定向組織的增多而回升，但材料的硬度和致密性下降。隨著燒結(jié)溫度的升高，觸頭的致密度增加，硬度上升，電導(dǎo)率明顯提高。在840℃左右，材料性能最佳

4、。與機(jī)械混粉和滴加-包覆工藝相比，球磨石墨噴霧-包覆工藝制備的Ag-5％C材料具有極好的機(jī)械物理性能和更加均勻的組織。新工藝中采用還原劑液相噴霧技術(shù)，大大增加了還原劑與反應(yīng)溶液?jiǎn)挝粫r(shí)間接觸面積，提高了分散在反應(yīng)溶液中的C粉充當(dāng)Ag原子非均質(zhì)形核核心的幾率；同時(shí)大大降低了還原劑在反應(yīng)溶液中的局域濃度，有效抑制了Ag原子長(zhǎng)大速率。兩方面作用下該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了細(xì)化包覆粉體及其晶粒度的作用并改善了其包覆效果，更好地消除了C在Ag基體中的成分偏聚。利

5、用球磨-包覆工藝制備的納米晶Ag-5％C包覆粉，混合在傳統(tǒng)的Ag-5％C機(jī)械混粉中，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)利用納米晶粉的晶粒長(zhǎng)大填補(bǔ)機(jī)械混粉材料中的微小孔隙，從而達(dá)到了改善機(jī)械物理性能的目的。 將制備出的新型AgC觸頭與傳統(tǒng)粗石墨機(jī)械混粉工藝觸頭安裝在ASTM機(jī)械式低頻斷開(kāi)觸頭材料壽命試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了不間斷電弧磨損對(duì)比分?jǐn)嘣囼?yàn)，同時(shí)結(jié)合4組混合配粉觸頭進(jìn)行了分階段電弧磨損對(duì)比分?jǐn)嘣囼?yàn)，測(cè)試并研究了該新型觸頭材料的耐電弧磨損性能和特性及其電弧腐

6、蝕特征，并對(duì)其耐電弧磨損性能提高的機(jī)理進(jìn)行了分析與探討。 研究結(jié)果表明，不間斷電弧磨損試驗(yàn)中球磨包覆工藝制備的新型AgC觸頭平均分?jǐn)嚯娀≠|(zhì)量損失遠(yuǎn)低于粗石墨機(jī)械混粉觸頭，抗電弧腐蝕性能提高了40％以上并具有更好的抗熔焊性能。分階段電弧磨損試驗(yàn)中各組樣品在最初階段損耗量相差不大，隨著分?jǐn)啻螖?shù)的增加，相較于常規(guī)機(jī)械混粉工藝觸頭，球磨-包覆Ag-5％C觸頭每一階段均表現(xiàn)出少得多的電弧損耗量。Ag-5％C機(jī)械混粉觸頭隨分?jǐn)啻螖?shù)電弧磨損量

7、呈指數(shù)大于1的指數(shù)函數(shù)規(guī)律上升，即到分?jǐn)嗪笃?，由于表面坑洼程度加劇?dǎo)致電渦流磨損現(xiàn)象的存在，電弧對(duì)觸頭的腐蝕加重，觸頭性能急劇劣化甚至失效。而球磨-包覆Ag-5％C觸頭隨分?jǐn)啻螖?shù)電弧磨損量呈近線性規(guī)律變化，在分?jǐn)喔麟A段電弧腐蝕對(duì)材料的損耗比較穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)分?jǐn)嗪笃谛阅芎蛽p耗急劇劣化的情況。AgC體系觸頭材料經(jīng)電弧侵蝕后其工作面上形成的形貌特征包括結(jié)構(gòu)松散區(qū)、富銀區(qū)、C沉積區(qū)、電弧沖擊坑、氣孔和孔洞以及裂紋，在電弧沖擊作用下新工藝觸頭表現(xiàn)

8、出了比傳統(tǒng)粗石墨機(jī)械混粉觸頭更好的阻止熔融Ag珠噴濺損失脫離基體和阻礙表面裂紋生成擴(kuò)展的能力。 將研制的新型AgC觸頭材料應(yīng)用在上海施耐德低壓終端電器有限公司及北京ABB低壓電器有限公司生產(chǎn)的小型斷路器上，分別通過(guò)了國(guó)家低壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的運(yùn)行短路能力試驗(yàn)測(cè)試。該新型材料已經(jīng)小批量供應(yīng)上海施奈德和北京ABB等生產(chǎn)企業(yè)，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)收益。 采用將高能球磨、化學(xué)包覆和粉末冶金工藝相結(jié)合配以適量碳納米管作為纖維增強(qiáng)

9、體的思路，制備出一種新型的碳納米管增強(qiáng)AgC電接觸材料并申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利。試驗(yàn)采用的碳納米管直觀團(tuán)聚體尺寸數(shù)十微米，由網(wǎng)狀碳納米管糾結(jié)構(gòu)成，構(gòu)成的碳納米管絲平均尺寸30-60nm，制備出的碳納米管增強(qiáng)Ag-5％C包覆粉中銀的平均晶粒尺寸約為50nm。包覆粉中微米尺寸的Ag顆粒呈絮凝狀結(jié)構(gòu)包覆在石墨片及碳納米管的外面，這種絮凝體內(nèi)部孔洞尺寸細(xì)小且分布均勻，有助于后續(xù)燒結(jié)過(guò)程的進(jìn)一步致密化。相較于傳統(tǒng)機(jī)械混粉Ag-5％C觸頭，球磨-包覆工

10、藝和碳納米管增強(qiáng)球磨-包覆工藝Ag-5％C觸頭均表現(xiàn)出了極佳的機(jī)械物理性能，主要性能指標(biāo)大幅提高；同為球磨-包覆工藝，碳納米管增強(qiáng)Ag-5％C觸頭硬度進(jìn)一步提升。 盡管在電弧磨損最初階段材料損耗量相差不大，隨著分?jǐn)啻螖?shù)的增加，相較于傳統(tǒng)機(jī)械混粉觸頭，球磨-包覆工藝和碳納米管增強(qiáng)球磨-包覆工藝Ag-5％C觸頭每一階段的材料損耗量都少得多，表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐電弧磨損性能。同為球磨-包覆工藝，碳納米管增強(qiáng)Ag-5％C觸頭耐電弧磨損性能各

11、分?jǐn)嚯A段均顯示了輕微程度的劣化。盡管如此，碳納米管增強(qiáng)球磨-包覆Ag-5％C觸頭隨分?jǐn)啻螖?shù)電弧磨損量呈指數(shù)小于1的指數(shù)函數(shù)規(guī)律變化，即到分?jǐn)嗪笃谄洳牧蠐p耗量趨于穩(wěn)定，材料損耗速率下降，有效地抑制了電渦流磨損現(xiàn)象，這種優(yōu)異的電弧磨損特性對(duì)于提高其工作壽命具有重要意義。在觸頭分?jǐn)嗪笃?，碳納米管的存在及其強(qiáng)化基體骨架作用，有效地阻止了觸頭工作面的大量剝離，減輕了工作面坑洼度，抑制了電渦流磨損現(xiàn)象，是碳納米管增強(qiáng)Ag-5％C觸頭具有優(yōu)異的電弧磨