本文關鍵詞：Cu-Ti_3SiC_2梯度電工材料的制備及其電性能的研究

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【摘要】：電接觸材料是一種特殊的導電材料,它不僅要求有良好的導電導熱性、低的接觸電阻、抗熔焊等,而且根據(jù)使用條件不同,要求更嚴格,如觸頭材料要求有抗電弧侵蝕能力,滑動電接觸材料要求有減摩、耐磨性好等。梯度材料作為一種新材料,它能夠?qū)崿F(xiàn)從金屬到陶瓷的連續(xù)過渡,將金屬和陶瓷的性能很好地結合在一起。Ti3Si C2具有金屬和陶瓷兩者的特性,可作為銅基材料的增強相用以制備電接觸材料。本研究制備出Cu-Ti3Si C2梯度復合材料,以高Ti3Si C2含量的一端作為電接觸材料的工作面,另外以純Cu的一端作為導電端,以梯度的形式將高Ti3Si C2含量的一端和純Cu的一端連接起來,可以提高材料的導電性能和降低材料開裂的可能。本項目在制備出高純Cu-Ti3Si C2復合材料和Cu-Ti3Si C2梯度材料的基礎上,研究了Cu-Ti3Si C2復合材料在真空電弧下的燒蝕行為和在帶電條件下的摩擦磨損行為。通過DSC和擴散偶實驗研究了Cu/Ti3Si C2在高溫下的熱穩(wěn)定性。Cu和Ti3Si C2在800℃時可穩(wěn)定共存;Cu和Ti3Si C2在更高溫度下會發(fā)生反應,Ti3Si C2主要分解成Ti C,釋出的Si與Cu形成Cu(Si)固溶體(或Cu-Si化合物),同時還會生成Ti Si2和Ti5Si3Cx等過渡相。采用先壓制成型后放電等離子燒結(SPS)的方法制備了Cu-Ti3Si C2復合材料和Cu-Ti3Si C2梯度材料。研究了壓制壓力和燒結溫度對材料性能的影響。試驗結果表明:Cu-Ti3Si C2復合材料的密度、硬度及抗彎強度隨著壓制壓力的增加而提高,電阻率則隨之降低,實驗結果表明1000 MPa是理想的壓制壓力;當燒結溫度超過800℃時,Cu和Ti3Si C2發(fā)生反應生成雜質(zhì)Ti C和Ti5Si3。以表面鍍有銅的Ti3Si C2粉末和電解銅粉為原料,采用145℃溫壓成型,700℃真空SPS制備出了純凈的Cu-Ti3Si C2復合材料。采用溫壓成型低溫SPS(750℃)和溫高速沖壓成型低溫SPS(750℃)兩種方法制備出了Cu-Ti3Si C2梯度材料,其微觀組織顯示層與層之間沒有明顯的界線且結合良好,無明顯缺陷和顆粒團聚。研究了Cu-Ti3Si C2復合材料在真空電弧下的燒蝕行為。研究發(fā)現(xiàn),在真空電弧的影響下Cu-Ti3Si C2陰極表面的Ti3Si C2顆粒發(fā)生分解,分解產(chǎn)物的主要組成相有C和Ti C。隨著Ti3Si C2含量的增加,Cu-Ti3Si C2陰極表面的粗糙程度逐漸增加,并且有顆粒狀熔滴凸起。從Cu-Ti3Si C2陰極侵蝕區(qū)的縱切面可以清晰看到與經(jīng)典的陰極蝕坑形成過程模型相符的狀似沸騰的形貌。隨Ti3Si C2含量的增加,沸騰狀形貌逐漸減少,同時觸頭表面的侵蝕程度加劇。以Cu-20 mass%Ti3Si C2為例,開始時Ti3Si C2在電弧高溫下分解,陰極表面侵蝕區(qū)有熔滴和主要由Cu、C混合物和部分發(fā)生分解的Ti3Si C2所組成的覆蓋物;隨著燃弧次數(shù)的增加,分解的Ti3Si C2增多,熔滴中的氣孔(是Si或含Si化合物氣化后所留下)增多,且熔滴開始變?yōu)槿廴隗w;隨著燃弧次數(shù)的進一步增加,侵蝕區(qū)的Ti3Si C2基本完全分解、大部分Si已逸出,且大量氣孔被熔融Cu所充填;2000次燃弧后,侵蝕區(qū)的熔融體在等離子力的反復影響下被整合成熔化層,其形貌與陰極斑點影響區(qū)模型相符。這說明Cu-Ti3Si C2復合材料的侵蝕機理與金屬材料的侵蝕機理基本相同,但多了一個Ti3Si C2的分解過程。Ti3Si C2的分解需要消耗大量的能量,因而降低電極的表面溫度,減少Cu的損失。通過質(zhì)量損失測試實驗,發(fā)現(xiàn)Cu-Ti3Si C2陰極質(zhì)量損失速率與Ti3Si C2含量呈線性關系,隨Ti3Si C2含量的增加而增大。研究了Cu-Ti3Si C2復合材料的摩擦磨損行為。適當增加材料中的Ti3Si C2含量,可有效提高Cu基復合材料的綜合性能并改善其摩擦、磨損行為;復合材料的純度是影響Cu-Ti3Si C2復合材料摩擦、磨損特性的關鍵因素;通電條件下的摩擦系數(shù)和磨損量均比在不通電條件下的摩擦系數(shù)和磨損量要高。同樣,在加熱條件下的摩擦系數(shù)和磨損量都比在不加熱條件下的摩擦系數(shù)和磨損量要高。不帶電的情況下,磨損面上的磨痕較淺;而帶電情況下磨損面上的磨痕較深,粘著磨損較為嚴重。隨著Ti3Si C2含量的增加,粘著磨損減輕。
【關鍵詞】：Cu-Ti3SiC2 梯度材料 擴散偶 燒蝕行為 摩擦磨損
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB33
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-31
• 1.1 電工材料與電接觸材料13
• 1.2 真空觸頭材料的研究現(xiàn)狀13-17
• 1.3 大功率滑動電接觸材料的研究現(xiàn)狀17-21
• 1.3.1 電刷材料的研究現(xiàn)狀17-19
• 1.3.2 受電弓滑板材料的研究現(xiàn)狀19-21
• 1.4 梯度材料的研究現(xiàn)狀21-23
• 1.5 真空觸頭抗電弧侵蝕的研究現(xiàn)狀23-25
• 1.6 Cu-Ti_3Si C_2 復合材料的研究現(xiàn)狀25-29
• 1.6.1 Ti_3Si C_2 的結構及性質(zhì)25-27
• 1.6.2 國內(nèi)外的研究27-28
• 1.6.3 近年來本課題組的相關研究28-29
• 1.7 本課題的研究內(nèi)容及意義29-30
• 1.7.1 本課題的研究內(nèi)容29-30
• 1.7.2 本課題的研究意義30
• 1.8 課題來源30-31
• 第二章 Cu/Ti_3SiC_2 擴散偶的界面反應研究31-53
• 2.1 高純Ti_3Si C_2 粉末和塊體的制備31-34
• 2.1.1 高純Ti_3Si C_2 塊體和Ti_3SiC_2 粉末的制備31-33
• 2.1.2 高純Ti_3Si C_2 塊體的制備33-34
• 2.2 Cu-Ti_3Si C_2 復合材料的DSC實驗34-36
• 2.3 擴散偶的實驗材料及實驗方法36-37
• 2.3.1 實驗材料36
• 2.3.2 實驗方法36-37
• 2.4 實驗結果及分析37-52
• 2.4.1 800℃熱處理后Cu/Ti_3SiC_2 擴散偶的界面反應研究37-38
• 2.4.2 900℃熱處理后Cu/Ti_3SiC_2 擴散偶的界面反應研究38-41
• 2.4.3 1000℃熱處理后Cu/Ti_3SiC_2 擴散偶的界面反應研究41-45
• 2.4.4 1150℃熱處理后Cu/Ti_3SiC_2 擴散偶（液相）的界面反應研究45-52
• 2.5 本章小結52-53
• 第三章 Cu-Ti_3Si C_2 梯度電工材料的制備53-64
• 3.1 Cu-Ti_3Si C_2 復合材料的制備53-58
• 3.1.1 壓制壓力對Cu-Ti_3Si C_2 復合材料性能的影響53-54
• 3.1.2 SPS燒結溫度對Cu-Ti_3SiC_2 復合材料性能的影響54-56
• 3.1.3 Cu-Ti_3Si C_2 復合材料的制備56-58
• 3.2 Cu-Ti_3Si C_2 梯度電工材料的制備58-63
• 3.2.1 溫壓成型低溫SPS燒結制備Cu-Ti_3SiC_2 梯度材料58-61
• 3.2.2 溫高速沖壓成型低溫SPS燒結制備Cu-Ti_3SiC_2 梯度材料61-63
• 3.3 本章小結63-64
• 第四章 Cu-Ti_3Si C_2 真空觸頭材料的電弧侵蝕64-90
• 4.1 電弧侵蝕性能測試設備的設計64-65
• 4.2 Cu-Ti_3Si C_2 觸頭材料的電弧侵蝕實驗65-88
• 4.2.1 一次燃弧后的Cu-Ti_3Si C_2 陰極66-69
• 4.2.2 50 次燃弧后的Cu-Ti_3Si C_2 陰極69-77
• 4.2.3 多次燃弧后Cu-Ti_3Si C_2 陰極的縱切面分析77-88
• 4.3 Cu-Ti_3Si C_2 陰極的質(zhì)量損失88-89
• 4.4 本章小結89-90
• 第五章Cu-Ti_3Si C_2 復合材料的摩擦磨損行為90-104
• 5.1 帶電摩擦磨損性能測試裝置的設計90-91
• 5.2 Cu-Ti_3Si C_2 復合材料的摩擦磨損實驗91-102
• 5.2.1 950℃ SPS燒結Cu-Ti_3SiC_2 復合材料的摩擦磨損行為91-97
• 5.2.2 溫壓后 700℃ SPS燒結高純Cu-Ti_3SiC_2 復合材料的摩擦磨損行為97-102
• 5.3 本章小結102-104
• 結論104-107
• 一主要的研究結論104-105
• 二創(chuàng)新之處105-107
• 參考文獻107-117
• 攻讀博士學位期間取得的研究成果117-119
• 致謝119-120
• 附件120

【參考文獻】

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本文編號：1002389