1、 Cu基低压触点基低压触点材料材料的研究的研究 郭永利郭永利西安交通大学西安交通大学 用作用作低压电器中的低压电器中的电接触电学元件称为电触电接触电学元件称为电触点点。电触。电触点点是是低压低压仪器仪表、电器开关中非常重要的接触元件。仪器仪表、电器开关中非常重要的接触元件。基本性能要求基本性能要求 具有良好的导电和导热性能；具有良好的导电和导热性能；接触电阻稳定，不易生成对导电不利的各种膜；接触电阻稳定，不易生成对导电不利的各种膜；抗电磨损性能好；抗电磨损性能好；机械强度高，抗机械磨损性能好；机械强度高，抗机械磨损性能好；极限生弧参数高；极限生弧参数高；加工工艺性好；加工工艺性好；价格便宜等。
2、价格便宜等。研究背景研究背景 目前，目前，低压电器中所用的触点低压电器中所用的触点材料一般采用银及银基合金，材料一般采用银及银基合金，有银有银-氧化物、银氧化物、银-镍、银镍、银-铜、银铜、银-镉、银镉、银-碳、银碳、银-钨等合金。钨等合金。研究背景研究背景触点金属材料物理性能触点金属材料物理性能研究背景研究背景继电器触点继电器触点银合金触点银合金触点研究背景研究背景 由于由于电接触电接触材料用量大，而且材料用量大，而且易消耗，致使贵金属资源逐渐变得易消耗，致使贵金属资源逐渐变得匮乏，造成巨大的经济损失。匮乏，造成巨大的经济损失。虽然纯铜具有良好的虽然纯铜具有良好的导电导电性能，但使用中会由于
3、强度性能，但使用中会由于强度下降、抗变形能力低而失效；另外，纯铜往往不能满足对下降、抗变形能力低而失效；另外，纯铜往往不能满足对温度、弹性、耐腐蚀性、高温强度等的要求温度、弹性、耐腐蚀性、高温强度等的要求，且，且表面容易表面容易严重氧化严重氧化,形成一层连续的氧化绝缘层覆盖在触点表面形成一层连续的氧化绝缘层覆盖在触点表面，阻，阻止了电流导通而导致触点失效。止了电流导通而导致触点失效。在铜基体中加入其它元素或化合物，即引入第二相来在铜基体中加入其它元素或化合物，即引入第二相来改善纯铜材料的使用性能，这改善纯铜材料的使用性能，这将是一项具有重要意义的研将是一项具有重要意义的研究工作究工作。研究背景
4、研究背景Omer Guler,Ertan Evin.The investigation of contact performance of oxide reinforced copper composite via mechanical alloying.Journal of materials processing technology 2 0 9(2 0 0 9)12861290研究背景研究背景在铜基底上涂覆在铜基底上涂覆Ag-SnO2Chong Fu,Fengyang Jiang,Preparation and Characterization of AgSnO2/Cu Contact
5、Material by Supersonic Plasma Spraying。IEEE研究背景研究背景SEM micrograph of a cross-section of a remelted Mo-clad specimenHardness profile along the cross-section of Mo-clad specimensCumulative mass loss in wear test5.63 107 cm2K.W.Ng.Laser cladding of copper with molybdenum for wear resistance enhancement
6、 in electrical contacts.Applied Surface Science研究背景研究背景 目前人们通过掺杂第二相、表面涂覆等技术来改善铜目前人们通过掺杂第二相、表面涂覆等技术来改善铜基电接触材料的性能，但是大多数研究工作是以提高铜基电接触材料的性能，但是大多数研究工作是以提高铜基电接触材料的基电接触材料的抗磨损性能抗磨损性能和和耐电弧烧蚀性能耐电弧烧蚀性能为目的，为目的，而很少有人关注通过掺杂第二相来提高铜基触点元件经而很少有人关注通过掺杂第二相来提高铜基触点元件经过电弧烧蚀后的导电性能，以及电弧烧蚀后第二相的分过电弧烧蚀后的导电性能，以及电弧烧蚀后第二相的分布情况。布情
7、况。研究背景研究背景 类金属陶瓷类金属陶瓷高温稳定性高温稳定性电阻率电阻率31.8mcm导电陶瓷导电陶瓷La2NiO4作为合适的第二相，可望在触点表面形成作为合适的第二相，可望在触点表面形成不连续的氧化绝缘层不连续的氧化绝缘层研究思路研究思路 那么如何在铜基触点表面产生不连续的氧化层、或者破坏已经产那么如何在铜基触点表面产生不连续的氧化层、或者破坏已经产生的氧化层，使触点接触时实现电流导通？生的氧化层，使触点接触时实现电流导通？通过掺杂合适的第二相来实现。通过掺杂合适的第二相来实现。实验方案实验方案 3.电弧烧蚀实验电弧烧蚀实验 在空气气氛中进行电弧烧蚀，实验参数为：电流在空气气氛中进行电弧烧
8、蚀，实验参数为：电流 10A 烧蚀频率为烧蚀频率为50次次/分。分。4.性能测试性能测试和和微观组织分析微观组织分析 测量不同电弧烧蚀次数后的接触电阻和温升以及烧蚀速率。测量不同电弧烧蚀次数后的接触电阻和温升以及烧蚀速率。观察微观形貌，物相鉴定。观察微观形貌，物相鉴定。5.建立模型，分析电弧烧蚀后触点表面的微观结构以及第二建立模型，分析电弧烧蚀后触点表面的微观结构以及第二 相的分布情况。相的分布情况。自组装电弧烧蚀、接触电阻、温升测量装置自组装电弧烧蚀、接触电阻、温升测量装置实验设备实验设备实验设备实验设备 (a)XRD pattern of conductive ceramics (b)SE
9、M micrograph of La2NiO4 powder 实验结果实验结果实验工艺实验工艺 将物质的量比为将物质的量比为2 1 的的La(NO3)3 6H2O和和Ni(NO3)3 6H2O溶液混合溶液混合,加加入一定量的柠檬酸入一定量的柠檬酸(柠檬酸与金属离子的物质的量比为柠檬酸与金属离子的物质的量比为1.5 1,在搅拌的同时在搅拌的同时加热到加热到90,加入适量的乙二醇加入适量的乙二醇,在此温度下搅拌直至溶液变得粘稠得到凝胶在此温度下搅拌直至溶液变得粘稠得到凝胶体。在体。在110置于干燥箱中保温置于干燥箱中保温12h,干燥后在干燥后在850下保温下保温4h。实验结果实验结果实验结果实验结
10、果接触电阻随接触力变化曲线接触电阻随接触力变化曲线 (a)空气空气 (b)Cu-La2NiO4 5wt%实验结果实验结果Cu-La2NiO4/5wt%温度升高随时间变化曲线温度升高随时间变化曲线实验结果实验结果温升随接触力变化曲线温升随接触力变化曲线 (a)空气空气 (b)Cu-La2NiO4 5wt%实验结果实验结果触点温升和接触电阻随电弧烧蚀次数变化曲线触点温升和接触电阻随电弧烧蚀次数变化曲线 (a)空气空气 (b)F=3N实验结果实验结果 触点质量损耗与电弧烧蚀次数关系触点质量损耗与电弧烧蚀次数关系实验结果实验结果 Cu-La2NiO4 触点电弧烧蚀触点电弧烧蚀2000次微观形貌次微观形
11、貌元素重量原子 百分比百分比O K18.8562.23Cu K15.3412.75La L65.8025.02总量100.00元素重量原子 百分比百分比O K3.9914.16Cu K96.0185.84总量100.00实验结果实验结果 Cu-La2NiO4 触点电弧烧蚀触点电弧烧蚀5000次微观形貌次微观形貌实验结果实验结果实验结果实验结果 Cu-La2NiO4 触点电弧烧蚀触点电弧烧蚀5000次微观形貌和次微观形貌和 XRD 实验结果实验结果21ResinCu/La2NiO4实验结果实验结果实验结果实验结果Elementwt%atm%O K10.8332.54Cu K89.1767.46E
12、lementwt%atm%O K2.358.74Cu K97.6591.26Cross section morphology and EDX of contacts after 5000 make/break cycles实验结果实验结果The XRD pattern of contacts without and with arc erosion 实验结果实验结果Cu-La2NiO4 触点表面电弧烧蚀后导电机理示意图触点表面电弧烧蚀后导电机理示意图实验结果实验结果 实验结果实验结果实验结果实验结果实验结果实验结果实验结果实验结果 1.用溶胶凝胶法制备了纯度较高的用溶胶凝胶法制备了纯度较高的L
13、a2NiO4导电陶瓷粉末。导电陶瓷粉末。2.在铜基体中掺杂导电陶瓷，经过相同电弧烧蚀次数后其温在铜基体中掺杂导电陶瓷，经过相同电弧烧蚀次数后其温 升比纯铜试样要低，升比纯铜试样要低，质量损耗质量损耗比纯铜试样高。比纯铜试样高。掺杂相导电陶瓷破坏了铜基体经电弧烧蚀后形成的氧化绝掺杂相导电陶瓷破坏了铜基体经电弧烧蚀后形成的氧化绝缘层的连续性，在两个触点碰撞瞬间发生脆裂，引发周围氧化缘层的连续性，在两个触点碰撞瞬间发生脆裂，引发周围氧化层破裂甚至脱落，实现电流导通，延长触点使用寿命。层破裂甚至脱落，实现电流导通，延长触点使用寿命。下一步研究计划下一步研究计划（1）进一步测试不同系列、不同比例成分的触
14、点的接触电阻）进一步测试不同系列、不同比例成分的触点的接触电阻和温升，及烧蚀速率。和温升，及烧蚀速率。（2）通过对所制备的铜基触点材料进行氧化，分析其氧化机）通过对所制备的铜基触点材料进行氧化，分析其氧化机理。理。（3）建立模型，模拟触点表面结构。通过控制表面结构，实）建立模型，模拟触点表面结构。通过控制表面结构，实现减少接触电阻和温升的最终目的。现减少接触电阻和温升的最终目的。论文发表论文发表1.郭永利郭永利，王亚平等，王亚平等.低压电器用铜基触点材料的研究进展，低压电器用铜基触点材料的研究进展，电工材料电工材料J，2011，3：10-132.专利：专利：郭永利郭永利，王亚平，王亚平.一种铜
15、基电接触材料及其制备方法，一种铜基电接触材料及其制备方法，专利号：专利号：ZL201210097519.73.郭永利郭永利，王亚平，王亚平.Preparation,electrical contact performance and arc-erosion behavior of Cu/La2NiO4 composites.3rd International Conference on Material,Mechanical and Manufacturing Engineering(IC3ME 2015)4.卢雪琼，王军，王亚平，卢雪琼，王军，王亚平，郭永利郭永利.铜及其铜及其 合金高温氧化的影响合金高温氧化的影响因素研究，因素研究，材料导报材料导报J.2012.11（26）：）：371-374 谢谢各位专家！谢谢各位专家！
