銀-導(dǎo)電陶瓷復(fù)合電接觸材料電弧損耗特性的光譜研究.pdf

1、電觸點作為電子器件的核心部件在生產(chǎn)和生活中應(yīng)用非常廣泛，而觸點材料是制約觸點性能的主要因素，世界工業(yè)發(fā)達國家都十分重視電接觸材料的開發(fā)應(yīng)用。在低壓電器領(lǐng)域，研究和使用較多的Ag/CdO材料具有優(yōu)良滅弧性能，但其致命缺點是產(chǎn)生有毒鎘蒸氣，歐盟已明確規(guī)定禁止有害物質(zhì)鎘在電子信息產(chǎn)品中使用。這就給電接觸材料研發(fā)提出了新的挑戰(zhàn)，發(fā)展一種類似或超越Ag/CdO性能的新型無毒觸點材料具有重要的科學和工程意義。在取代Ag/CdO的觸點材料研究中，Ag

2、/SnO2因綜合性能好得到了大力發(fā)展，但Ag/SnO2材料的極大弱點是：溫升現(xiàn)象嚴重，塑性和延展性差導(dǎo)致加工性能差，國內(nèi)外雖然對此進行了工藝改進，但都沒有得到滿意的解決方法。到目前為止，Ag/SnO2替代Ag/CdO的工作仍未得到有效解決，國內(nèi)外的研究人員一直在探索研制其它的新型電接觸材料。 為解決上述電接觸材料領(lǐng)域存在的問題，我們課題組開展了新型電接觸材料的研究工作，把銀與具有類金屬導(dǎo)電特性的陶瓷化合物進行復(fù)合，獲得了新型優(yōu)質(zhì)

3、電接觸材料。主要發(fā)展制成了Ag/La2NiO4和Ag/LaFe1-xNixO3兩系列復(fù)合導(dǎo)電陶瓷材料，其中陶瓷材料的添加量為8％-12％，這種復(fù)合觸點材料具有良好加工性、抗燒蝕性以及穩(wěn)定的化學性質(zhì)。從根本上解決過去單一或混合氧化物材料與銀復(fù)合制成的觸點材料所不能解決的機械加工性差的問題。以陶瓷化合物為添加劑的方法突破了該領(lǐng)域一直沿用的以單一或混合氧化物為添加劑的瓶頸，為電接觸材料研究提供了新的途徑，拓寬了電接觸材料的研究領(lǐng)域，為得到綜合

4、性能更佳的新型電接觸材料提供了一種新思路。 有關(guān)觸點材料的性能測量與評估是觸點材料研究中的另一個重要且極需解決的問題。在這方面開展研究是本論文的重要內(nèi)容之一。電弧是有觸點開關(guān)電器動作過程中必然發(fā)生的物理現(xiàn)象，是觸點燒蝕、退化的最主要原因。利用這種電弧現(xiàn)象，可以很好地探測電弧燃燒和熄滅過程，從而了解觸點的工作狀態(tài)和工作質(zhì)量。所以這是觸點材料中的重要研究內(nèi)容之一。本論文對觸點電弧的燃燒和維持機制展開了系統(tǒng)的研究，測定和分析了電弧等離

5、子體特性，掌握其運動規(guī)律，探討了復(fù)合材料的電弧損耗機制。電弧燒蝕機制非常復(fù)雜，涵蓋了很多方面的研究內(nèi)容，綜合比較多種等離子體診斷技術(shù)，非侵入式的等離子體光譜診斷最為適合。因此作者運用光譜分析方法對電弧等離子體特性進行了診斷，綜合考評了我們所研究的兩類復(fù)合電接觸材料。結(jié)果表明，把傳統(tǒng)的材料測試方法和光譜診斷方法相結(jié)合，可以全面正確地表征電觸點材料的綜合性能，也證明我們采用的這種新方法是先進有效的。本論文對以Ag為基的幾種新型導(dǎo)電陶瓷復(fù)合觸

6、點材料進行了系統(tǒng)的工藝和性能研究。結(jié)果表明，我們所研究的Ag/La2NiO4和Ag/LaFe1-xNixO3兩系列復(fù)合材料屬優(yōu)越的新型導(dǎo)電陶瓷復(fù)合觸點材料，它們具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性，有優(yōu)良的可加工性，并獲得了優(yōu)良的抗電弧燒蝕性能。這種性能優(yōu)越的銀基導(dǎo)電陶瓷復(fù)合材料完全可能成為Ag/CdO的替代品，同時它優(yōu)良的機械加工性能對Ag/SnO2也具有很大的挑戰(zhàn)性，與此同時這類材料還具有無毒、符合環(huán)保要求和使用壽命長的優(yōu)點。本論文在如

7、下五個方面取得了創(chuàng)新性的結(jié)果。 1.新型銀基導(dǎo)電陶瓷復(fù)合電接觸材料開發(fā)把Ag與電阻率為mΩ·cm量級的導(dǎo)電陶瓷材料復(fù)合，研究了Ag/La2NiO4和Ag/LaFe1-xNixO3兩系列新型銀基導(dǎo)電陶瓷復(fù)合觸點材料。這兩類復(fù)合材料的電阻率均在2.1μΩ·cm附近，其比熱容具有優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性，電弧燒蝕實驗表明，材料具有良好的化學穩(wěn)定性。復(fù)合觸點材料變形量可達22％以上，拉斷力超過150N，表現(xiàn)出良好的可加工性能；微觀形貌中可看到陶

8、瓷顆粒與銀基體結(jié)合緊密，且陶瓷具有層狀斷面，有利于提高復(fù)合材料的加工性能。這些性能表明，這兩類復(fù)合材料完全可能成為Ag/CdO的替代品，同時它優(yōu)良的機械加工性能對Ag/SnO2也具有很大的挑戰(zhàn)性。Ag/LaFe0.25Ni0.7503和Ag/La2NiO4是銀基導(dǎo)電陶瓷復(fù)合觸點材料中性能較優(yōu)的兩個材料系列。 2.時間分辨光電光譜檢測觸點電弧燒蝕機制為獲取觸點材料的時間分辨光電光譜，設(shè)計了一種光譜測量系統(tǒng)。用該系統(tǒng)可以探討燃弧銀原

9、子和銀離子的運動變化，根據(jù)不同材料譜強變化，可推測材料燒蝕實際狀況。用該系統(tǒng)，測量了Ag/La2NiO4和Ag/LaFe1-xNixO3兩系列的時間分辨光電光譜，并與其它常見觸點材料測試結(jié)果進行比較，結(jié)果表明，我們研究的這兩類復(fù)合材料具有優(yōu)良的抗電弧燒蝕性能。同時證明，該光譜測量系統(tǒng)是分析觸點材料抗電弧燒蝕的可行手段。這對新材料的設(shè)計有著積極的指導(dǎo)意義。 3.實際工作狀態(tài)下觸點電弧行為的測量研究采用觸點壽命機，模擬觸點的實際工作

10、狀態(tài)，研究了所制備的兩類復(fù)合觸點材料的觸點電弧行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這兩類復(fù)合觸點的平均燃弧時間在4ms-4.3ms，燃弧時間比常見的觸點材料都短，短的燃弧時間可以改善材料的抗電弧侵蝕性能，減少觸點材料的燒蝕量和轉(zhuǎn)移量，從而延長了觸點材料的使用壽命。金屬氧化物的電弧侵蝕機理主要有兩種，一種是氧化物的分解與升華，這個過程要消耗大量的能量，從而降低侵蝕。第二種是增強觸點表面熔池的表面張力和粘性。在燃弧過程中，金屬氧化物會以微粒形式懸浮在表面，增加

11、了表面張力、提高了金屬粘性、增加了銀對觸頭的潤濕性，有助于降低基體銀的噴濺損耗。所以，觸點壽命分析表明，金屬氧化物的添加可以明顯改善電接觸材料的動態(tài)電弧特性。 4.掃描多波長光譜診斷電弧等離子體設(shè)計裝配了CCD多通道光譜儀，把等離子體光譜診斷法用到觸點材料的性能研究中，為觸點材料成分設(shè)計和性能比較提供了一種有效的監(jiān)控檢測手段。對不同化學計量配比的Ag/La2NiO4和Ag/LaFe0.25Ni0.75O3復(fù)合陶瓷材料，用光譜儀對

12、電弧等離子體進行了系統(tǒng)的光譜分析。發(fā)現(xiàn)在銀基導(dǎo)電陶瓷復(fù)合電接觸材料中適量增加第三相金屬Ni的含量，有利于提高材料抗電弧侵蝕性能；適量提高復(fù)合電接觸材料中導(dǎo)電陶瓷摻加量，有助于增強材料抗電弧侵蝕能力；同樣添加量情況下，摻加La2NiO4比摻加LaFe0.25Ni0.75O3所得的陶瓷復(fù)合材料性能更優(yōu)。我們的實驗結(jié)果表明，光譜儀對于觸點材料的研制和使用具有非常大的指導(dǎo)意義。 5.譜線的曲線擬合與等離子體參量的測定根據(jù)兩線法及斜率法分

13、別測定了電弧等離子體的電子溫度，并用曲線擬合的方法分析了譜線展寬的變化和產(chǎn)生機制。結(jié)果表明：斯塔克展寬是Ag/LaFe0.25Ni0.75O3觸點電弧的Ag I546.5nm譜線產(chǎn)生加寬的主要原因；用洛倫茲擬合得到了譜線的半高全寬度、積分強度以及中心波長等參量，這些擬合參數(shù)可以用來推導(dǎo)等離子體的相關(guān)特征參量；譜線展寬隨輸入能量的增加而近似線性增大，也說明等離子體中的電子密度隨著能量的增加而增大。利用兩線法和斜率法分別測定了24V30A電