【摘要】：電觸頭作為電器開關(guān)中的關(guān)鍵元件,其性能直接影響到開關(guān)運(yùn)行的可靠性和使用壽命。在低壓電器中的電接觸材料大部分都是由銀的復(fù)合材料加工而成。但是銀非常稀缺且價格昂貴這導(dǎo)致其在使用上受到許多限制。由于銅基電接觸材料有較好的導(dǎo)電性,并且材料的成本較低,所以用其代替銀基電接觸材料的應(yīng)用前景非常廣闊。但銅作為電接觸材料使用時,容易被氧化形成不導(dǎo)電的氧化膜且電弧侵蝕和熔焊傾向比較嚴(yán)重,嚴(yán)重影響了觸頭材料性能的穩(wěn)定性。本文針對銅基電接觸材料容易出現(xiàn)的問題展開研究。由于電觸頭材料在實(shí)際應(yīng)用時對性能要求多樣,一種金屬單質(zhì)材料不能同時滿足應(yīng)用要求,通常把兩種或多種金屬或非金屬組合在一起,制成復(fù)合材料。所以,本論文嘗試添加不同組元通過材料成分設(shè)計(jì),發(fā)揮各添加組元之間的優(yōu)勢,以提升材料的綜合性能。論文首先對碳納米管、石墨烯和納米碳粉三種性能優(yōu)異的納米碳材料對銅組織與性能的影響進(jìn)行研究,通過正交分析實(shí)驗(yàn)研究納米碳的種類、添加量以及球磨時間對材料性能的影響。結(jié)果表明,硬度隨納米碳添加量的增加先增大后減小,而電導(dǎo)率隨碳含量的增加而逐漸減小,電導(dǎo)率隨球磨時間的增加先增大后減小。通過綜合分析確定性能較優(yōu)的納米碳材料為石墨烯,球磨時間確定為4h。隨后論文對石墨烯增強(qiáng)銅基電觸頭材料進(jìn)行了探討。由于石墨烯比表面積大,表面活化能高,容易團(tuán)聚,與銅基體相容性差。所以本文通過對石墨烯進(jìn)行表面鍍銀處理,以增強(qiáng)石墨烯與銅基電接觸材料的浸潤性,同時對銅粉進(jìn)行化學(xué)鍍銀處理以提高其抗氧性并探究不同含銀量對其性能的影響。經(jīng)過粗化、敏化、活化等鍍前預(yù)處理以及化學(xué)鍍過程,在石墨烯表面成功鍍上了一層金屬銀。實(shí)驗(yàn)中采用兩種方法對銅粉表面進(jìn)行化學(xué)鍍銀。結(jié)果顯示,經(jīng)過敏化、活化預(yù)處理過試樣的鍍銀效果明顯優(yōu)于在銅粉表面直接進(jìn)行化學(xué)鍍的試樣。最后通過粉末冶金法制備銅基電接觸材料,結(jié)果顯示隨著石墨烯含量的增加,兩組試樣的相對密度和硬度先增大后減小,而電導(dǎo)率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢;對比觸頭材料各方面性能,鍍銀處理試樣均優(yōu)于未處理試樣;通過對材料的結(jié)構(gòu)和性能的綜合分析,當(dāng)鍍銀石墨烯添加量為0.2wt.%時性能最佳,此時的相對密度、硬度、氧化增重和IACS分別為90%,53.4HB,1.6mg/cm~2和76.2%IACS。為提高觸頭材料的力學(xué)性能、抗電弧侵蝕及熔焊性能,實(shí)驗(yàn)研究了不同金屬氧化物(ZnO、SnO_2)隨鍍銀銅粉含銀量不同對材料性能的影響,通過對結(jié)果進(jìn)行對比分析可知:隨銀含量的增加,試樣的致密度和硬度先增加后減小,而電導(dǎo)率逐漸下降。MeO的加入可大幅降低銅基材料的摩擦系數(shù),使材料的耐摩擦磨損能力顯著提高,其中添加SnO_2試樣的耐摩擦性能優(yōu)于添加ZnO的試樣。添加MeO可有效提高材料的抗電弧侵蝕能力,兩組試樣之間的抗電弧侵蝕能力相差不大,但相比純銅試樣效果提升顯著。當(dāng)觸頭在相互接觸時會產(chǎn)生接觸電弧,電弧會使試樣的表面瞬間升溫,在觸頭接觸的區(qū)域熔化形成熔池。由于SnO_2和ZnO顆粒在基體中彌散分布,使得熔池的粘度增加,從而使金屬液滴在粘性力的作用下飛濺減少,可顯著提高材料的抗電弧侵蝕能力。綜合分析可知,確定銀含量為3wt.%的鍍銀銅粉,且添加SnO_2試樣的性能最優(yōu)。通過添加稀土元素(Pr、Nd、Sm)以改善銅的抗氧化性并研究不同稀土及含量對銅基電接觸材料性能的影響。在金屬銅中添加稀土,可以使材料的氧化增重大幅度下降,下將幅度為24.4%,有效提高了材料的抗氧化能力。這主要得益于稀土活潑的化學(xué)性質(zhì),可以通過固溶以及在銅表面形成一層結(jié)構(gòu)致密且連續(xù)的氧化物層,阻礙了銅離子和氧穿越氧化層的擴(kuò)散過程,從而降低了銅基觸頭材料的氧化速率。材料的抗氧化能力從高到低依次為添加Nd、Pr、Sm的試樣。稀土元素能細(xì)化晶粒,隨稀土含量的增加試樣的硬度逐漸增加,摩擦系數(shù)逐漸降低,顯著提升了材料的力學(xué)性能。但隨著稀土含量的增加,試樣電導(dǎo)率呈下降的趨勢。
【圖文】：

圖 1.1 導(dǎo)電斑點(diǎn)附近電流線收縮情況示意圖觸材料電弧理論方面，Boddy 發(fā)現(xiàn)觸頭間隙的電弧分為金屬種。金屬蒸汽態(tài)電弧主要是由于在兩電極分離時金屬液橋斷于金屬離子擴(kuò)散作用而密度降低，，周圍的氣體分子電離對電觸材料的抗熔焊能力、分?jǐn)嗄芰Ψ矫�，A.Tslf[5]指出，當(dāng)假設(shè)升和接觸壓降的關(guān)系，提出 Kw1作為抗熔焊的依據(jù)：電阻率，λ 為導(dǎo)熱系數(shù)，H 為硬度，θ0為環(huán)境溫度，θm為材的抗熔焊能力越強(qiáng)。

圖 1.2 多種碳材料分子結(jié)構(gòu)在銅基復(fù)合材料中的應(yīng)用一種導(dǎo)電性良好的金屬，但其直接作為導(dǎo)電元件時存在容易氧化的問題的壽命。稀土在合金材料中的應(yīng)用廣泛，常被稱為金屬材料的“維生素特的金屬和化學(xué)性質(zhì)能夠在添加微量的基礎(chǔ)上大幅提升材料的物理、化如，在鎢電極中添加少量稀土可改善電弧特性，提高使用壽命。稀土對用主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：土對銅合金組織結(jié)構(gòu)的影響用銅中含有多種雜質(zhì)，這些雜質(zhì)在很大程度上影響銅及銅合金的力學(xué)性能，而添加微量稀土可除去有害雜質(zhì)從而有效凈化銅合金的組織[31-34]。銅合金的組織。細(xì)化組織主要通過細(xì)化晶粒，減少樹枝晶和柱狀晶來實(shí)
【學(xué)位授予單位】：濟(jì)南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 趙文杰;王俊勃;王瑞娟;王彥龍;劉松濤;胡澤濤;;摻雜對Cu/SnO_2電觸頭材料的性能影響[J];航空材料學(xué)報;2015年06期

2 李文良;彭程;葉章根;羅遠(yuǎn)輝;趙奇金;;微細(xì)銅粉鍍覆銀的制備工藝及性能研究[J];電鍍與涂飾;2015年21期

3 思芳;王俊勃;劉松濤;楊敏鴿;楊爾慧;;Ag-SnO_2觸頭材料制備工藝的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J];電子元件與材料;2015年09期

4 王松;謝明;李愛坤;朱剛;王塞北;楊有才;陳松;;新型Ag-CNTs電接觸材料的制備及其性能[J];有色金屬科學(xué)與工程;2015年05期

5 王瑞娟;王俊勃;宋宇寬;安招鵬;趙倩;;高壓和真空銅基觸頭材料的研究進(jìn)展[J];電工材料;2014年04期

6 江燕;楊敏鴿;楊增超;王俊勃;賀辛亥;劉松濤;;中高壓銅基電觸頭材料的研究現(xiàn)狀[J];電工材料;2013年04期

7 宋曰海;馬麗杰;;片狀銅粉鍍銀及抗氧化性能研究[J];電鍍與精飾;2013年07期

8 孫鴻鵬;王開軍;蔡曉蘭;胡翠;樂剛;陳亞光;;鍍銀銅粉的制備及其抗氧化和導(dǎo)電性能[J];材料保護(hù);2013年06期

9 喬秀清;申乾宏;陳樂生;賀慶;樊先平;楊輝;;AgSnO_2電接觸材料的研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報;2013年01期

10 山岸宣行;戴惠芬;李業(yè)建;金祖多;;電觸頭材料[J];電工材料;2012年03期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前9條

1 甘貴江;鎳/石墨烯—銅基粉末冶金摩擦材料的制備及性能研究[D];江蘇大學(xué);2017年

2 賈彬;稀土鈰和冷軋工藝對高強(qiáng)高導(dǎo)電銅合金組織與性能的影響[D];山東大學(xué);2016年

3 思芳;摻雜低銀觸頭材料制備工藝與性能研究[D];西安工程大學(xué);2016年

4 滕龍;高能球磨法制備碳納米管強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料及其性能研究[D];昆明理工大學(xué);2014年

5 肖祺;新型Ag-4Cu-0.3Ni-Ce電接觸材料固溶時效工藝研究[D];重慶理工大學(xué);2013年

6 張媛媛;新型稀土鉻鈷銅合金材料研究[D];蘭州理工大學(xué);2012年

7 于瑤;銅基弱銀電接觸材料研究[D];天津大學(xué);2010年

8 張振峰;稀土在紫銅及白銅合金中的作用規(guī)律及應(yīng)用研究[D];中南大學(xué);2007年

9 陳海英;熱壓法制備碳納米管/銅復(fù)合材料組織與性能研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2006年

本文編號：2681028