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Ag/Ti2SnC复合材料制备及其抗电弧侵蚀性能研究

2021-02-18 09:00:38

        低压开关广泛应用于航空航天、轨道交通、电子电器等领域,其承受电流冲击的心脏部件“电触头”的可靠性很大程度上决定了开关的寿命。自上世纪中期以来,具有突出抗电弧侵蚀性能的Ag/CdO电触头备受青睐。然而,电接触过程中释放的毒Cd蒸汽对人体和环境产生严重威胁,急需无Cd电触头替代材料。到目前为止,Ag/SnO2、Ag/ZnO、Ag/Ni、Ag/C等无毒电触头材料在加工性、接触电阻、温升、抗电弧侵蚀等方面还存在各种问题,无法全面替代Ag/CdO。因此,寻找新型环保银基电触头增强相材料是该领域亟待解决的关键问题之一。近年来,兼具金属陶瓷双重特性的MAX相材料在导电、导热、摩擦、耐腐蚀等应用领域展示出巨大应用潜力。在MAX相家族中,Ti2SnC加工性能好,热导率高(43 W/mK),且电阻率低(0.22 μΩm),完全契合Ag基增强相材料的基本性能要求。

      Ag/Ti2SnC复合材料组织均匀,相对密度~93%,硬度适中 (62-76 HV1),电阻率低 (0.14-0.32μΩ∙m)。高温润湿实验 (1025℃) 显示Ag与Ti2SnC具有良好的润湿性 (接触角~14°),有利于Ti2SnC在Ag基中的均匀分布及二者的界面结合。400V/100A/50HZ/AC3条件下放电2000次后,Ag/10Ti2SnC复合电触头形状保持完整,侵蚀面积小于商用Ag/CdO电触头,而高Ti2SnC含量的电触头表面被电弧破坏相对严重。结合扫描电镜和能谱分析了电弧侵蚀后Ag/10Ti2SnC、Ag/20Ti2SnC电触头表面侵蚀区域和过渡区域的显微结构,明确了电弧与Ag基体、Ti2SnC颗粒间的相互作用特征,包括银球、裂纹、熔池、孔洞、电弧坑、轻微腐蚀的Ti2SnC等。结合截面金相、扫描电镜、能谱和材料损失结果,发现Ti2SnC含量低的银基触头导电导热性能优于Ti2SnC含量高的银基触头,在电接触过程中有效避免了高温升,减轻了电弧高温对增强相Ti2SnC颗粒的侵蚀破坏。结合XRD和EDS结果分析发现,电弧高温下,Ti2SnC的破坏以缓慢氧化导致结构解离的形式为主,破坏产物主要为钛的氧化物。该研究探索了MAX相材料在银基电触头领域的应用潜力,初期结果显示,增强相材料Ti2SnC含量适当时,具有优良的导电、导热及可与商用Ag/CdO相比肩的抗电弧侵蚀性能,是一种优良的CdO替代候选材料,具有深入研究和推广应用的潜在价值。  


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