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新型银基导电陶瓷复合电接触材料研究

作　者: 尹娜
导　师: 王春雷；王成建
学　校: 山东大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 导电陶瓷 电接触材料 浸润性 燃弧时间 接触电阻
分类号: TB34
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


电接触是指两个导体之间相互接触并通过接触界面实现电流传递或信号传输的一种物理、化学现象。电触点是开关电器的核心元件，是影响开关电器如各类空气开关、继电器、交流接触器等通断转换能力和可靠性的关键因素，电触点在使用过程中处于频繁的开、闭状态，因此对触点材料电性能和机械性能要求非常高，其主要性能要求有：导电性好，良好的抗熔焊性，耐电磨损性好，接触电阻低，长期通电时温升不高。有“万能触点”之称的Ag／CdO材料，因镉的毒性限制近年来已经逐渐被Ag／SnO2等新型电接触材料所取代，但是应用过程中由于Ag／SnO2材料较高的接触电阻和加工成型困难等使其推广应用受到限制。因此研制性能更加优越的新型电接触材料成为该领域的热点课题。针对目前电接触材料领域的现状和存在的问题及低压电器对触点材料的应用要求，本文提出了一种研究触点材料体系的新思路，制成了银基导电陶瓷复合电接触材料。根据复合材料的性能参数要求，首先将几种氧化物制成具有良好电性能和独特微观结构的导电陶瓷化合物，采用陶瓷制造工艺，可以根据要求不同调整材料配方，工艺简单，适于工业化生产。导电陶瓷材料与银复合而成的新型电接触材料具有无毒无害，电阻率小，静、动态电性能稳定，机械性能好的特点。另外，导电陶瓷材料成本低，能最大限度的替代贵金属银，大大降低了复合材料的制造成本。实验结果表明银基导电陶瓷复合电接触材料具有优良的电性能和力学性能，完全可能成为Ag／CdO的替代品，同时它优良的机加工性能对Ag/SnO2也具有很大的挑战性。本论文的主要工作和结果本论文采用固相反应法制得LaNiO3-δ陶瓷（以下简称LNO），通过B位掺杂制成LaFe0.25Ni0.75O3陶瓷（简称LFNO），通过A位掺杂制成La0.7Sr0.3MnO3陶瓷（简称LSMO）；利用粉末冶金工艺将上述三种陶瓷与银复合制成银基陶瓷复合电接触材料。研究了陶瓷种类、陶瓷烧结温度以及第三相改性添加剂对复合电接触材料电性能和机械性能的影响规律。1、LNO陶瓷及Ag／LNO复合电接触材料研究了烧结工艺对LNO陶瓷的结构和物理性能的影响，结果发现，三组LNO陶瓷主要物相均为体心四方La2NiO4相和菱形六方NiO相，随着烧结温度的升高陶瓷晶粒变大，La2NiO4相比例呈上升趋势。在1400℃烧结条件下制备的LNO（1400）材料晶粒排列规则且致密，得到了7.109 g／cm3的最高密度和31.8mΩ·cm的最小电阻率，适合用于复合触点材料的研究中。将陶瓷与银复合制成Ag／LNO电接触材料，研究了陶瓷的烧结条件对材料电阻率、抗拉强度和触点工作性能的影响，结果发现，Ag／LNO（1400）材料电阻率为2.10μΩ·cm，抗拉强度最小为171.2 MPa，具有较强的抗熔焊性能。在24V DC 15A条件下的工作性能测试中，该材料表现出良好的抗转移及抗烧蚀性能，是一种优质的电接触材料。2、LFNO陶瓷及Ag／LFNO复合电接触材料以LNO为基，采用Fe对B位进行掺杂，研究了烧结工艺对LFNO陶瓷的结构和物理性能的影响，结果发现，三组陶瓷均为La(Fe0.4Ni06)O3相、NiO相以及La2NiO4+δ相组成的复合结构，产物中三价Ni离子和二价Ni离子同时存在，钙钛矿结构与尖晶石结构并存。随着烧结温度的升高，陶瓷晶粒的尺寸增大。Fe掺杂使材料电阻率显著降低，对于LFNO（1450）陶瓷，电阻率最小达到6.19mΩ·cm，为优良的导电陶瓷。将陶瓷与银复合形成了Ag／LFNO电接触材料，研究了陶瓷的烧结条件对材料电阻率、延伸率和触点工作性能的影响。对于Ag／LFNO（1450）材料，电阻率仅为2.05μΩ·cm，比目前国际上较先进的Ag／CdO和Ag／SnO2材料的电阻率2.1μΩ·cm还低，说明此种材料具有较强的竞争优势。研究还发现，LFNO（1400）陶瓷电阻率也较小，为20.6 mΩ·cm，且其密度值最大，为8.046 g／cm3，结合XRD分析知该陶瓷性能更为稳定，适合用于复合电接触材料中。Ag／LFNO（1400）材料的延伸率最大，具有较好的加工性能。同时，用该材料做成的触点具有优良的抗烧蚀性能和抗材料转移性能。3、银基导电陶瓷复合电接触材料的性能比较将LNO（1400）陶瓷与LFNO（1400）陶瓷与银复合制成Ag／LNO（10）和Ag／LFNO（10）电接触材料（陶瓷掺杂比为10％），通过对触点燃弧时间、烧蚀前后相结构的变化情况、表面组织形貌以及电弧烧蚀后触点表面的金相形貌进行研究，与目前市场上通用的Ag/CdO（12）、Ag／SnO2（10）材料进行性能比较。结果发现，Ag／LNO（10）电阻率为2.096μΩ·cm，而Ag／LFNO（10）电阻率为2.056μΩ·cm，使得两种材料在触点工作过程中表现出良好的抗材料转移性能和触点表面抗烧蚀性能，优于市场上通用的Ag/CdO（12）和Ag／SnO2（10），是性能更加优越的电接触材料。选取Ag/LNO（12）、Ag／LNO（10）、Ag／LFNO（12）、Ag／LFNO（10）四组材料进行对比实验，结果发现，陶瓷量增多后，延伸率增大，抗拉强度降低，改善了材料的加工性能和抗熔焊性能，但同时电阻率增大对材料的电性能产生不利的影响。退火处理后，复合材料的抗拉强度减小，延伸率增大，改善了材料的加工性能，增强了材料的抗熔焊能力。4、第三相添加剂对复合材料性能的影响用Ni和CuO作为改性添加剂，对复合电接触材料进行了改性研究，结果发现，添加Ni到Ag／LFNO（10）材料中，其工作性能有很大改善，阳极及阴极的质量变化由+0.333mg，-0.401mg减小到+0.115mg，-0.186mg，表现出良好的抗材料迁移性能。Ni作为改性添加剂减小了材料的抗拉强度，增强了材料的抗熔焊性能，对燃弧过程中的材料转移起到很好的抑制作用。24V 3A电流条件下，开断电弧燃弧时间只有2.07 ms，燃弧较弱，随着电流增大，燃弧时间呈增大趋势。添加CuO材料性能没有得到改善。对比测试了Ag／LNO（8）+Ni（1）、Ag／LFNO（8）+Ni（1）、Ag／LFNO（8）+Ni（2）和Ag／LFNO（10）+Ni（1）四组触点材料，Ag／LFNO（8）+Ni（1）和Ag／LFNO（10）+Ni（1）材料的延伸率较大，均为22.5％，表现出良好的可加工性：Ag／LFNO（8）+Ni（2）抗拉强度最小，为152.55 MPa，抗熔焊性能最好。对材料的电接触性能进行测试，发现添加Ni以及适量增大陶瓷的添加比能改善小电压小电流条件下触点的抗材料转移性能，Ni元素的掺加还能增强复合材料抗大电压大电流的能力。对Ag／LNO（8）+Ni（1）触点的工作性能进行了研究，结果发现，24V DC 10A条件下触点工作性能最好，随着电路电流的增大，触点的材料转移和烧蚀量逐渐增大，材料转移和烧蚀严重的情况下燃弧时间一般较长。在24V DC 15A工作条件下，触点的转移量和烧蚀量随着操作次数呈先增大后减小的趋势。5、第三相添加剂对复合材料浸润性的影响用WO3、MoO3和CuO作为改性材料对LFNO陶瓷及其复合电接触材料的浸润性进行研究。结果发现，加入WO3时陶瓷与银的浸润角为80°，加MoO3浸润角为54°，而添加CuO浸润角只有35°，说明CuO的浸润性改善最显著。浸润性的改善使材料的延伸率和致密度增大，加工性能大大提高，这些是对材料性能有利的方面，在相关领域具有应用潜力。由于加入改性剂以后材料电阻率增加，抗拉强度增大，使材料在燃弧作用下的抗材料转移性能和抗熔焊性能减弱，触点材料的电接触性能分析结果显示，添加剂并没有使材料的电接触性能得到改善。6、LSMO陶瓷及Ag／LSMO复合电接触材料以LaMnO3为基，采用Sr对A位进行掺杂，研究了烧结工艺对LSMO陶瓷的结构和物理性能的影响，结果发现，LSMO（1350）陶瓷为La0.65Sr0.35MnO3和LaMnO3的复合结构，后两组样品的主要成分均为La0.7Sr0.28Mn0.99O3，说明1350℃烧结条件下，Sr还没有完全掺杂到LaMnO3中，当温度继续升高到1400℃以上时，基本完成A位替代工作。三组LSMO陶瓷的电阻率普遍较大，密度小。随着陶瓷烧结温度的升高，陶瓷结晶质量提高，LSMO（1450）陶瓷电阻率最小，为67.6 mΩ·cm，密度最大。将陶瓷与银复合形成了Ag／LSMO电接触材料，研究了陶瓷的烧结条件对材料延伸率和触点工作性能的影响，结果发现，该类材料延伸率较大，对应着良好的加工性能，直流条件下Ag／LSMO材料相比Ag／LNO和Ag／LFNO材料电接触性能较差。

全文目录


摘要  10-14
ABSTRACT  14-20
符号说明  20-22
第一章 绪论  22-44
  1.1 导电陶瓷材料概述  22-29
    1.1.1 导电陶瓷材料的导电机制  22-23
    1.1.2 La-Ni-O系导电陶瓷  23-26
    1.1.3 A位及B位替代掺杂导电陶瓷  26-27
    1.1.4 导电陶瓷制备工艺  27-29
  1.2 电接触材料概述  29-32
    1.2.1 电接触材料的发展  29-30
    1.2.2 电接触材料制备工艺  30-32
  1.3 电接触过程中的静态电特性  32-33
  1.4 电接触过程中的动态电特性  33-38
    1.4.1 抗电弧侵蚀性能  33-34
    1.4.2 抗材料转移性能  34-36
    1.4.3 抗熔焊性能  36-37
    1.4.4 触点的工作失效性  37-38
  1.5 本论文的选题  38-39
  参考文献  39-44
第二章 导电陶瓷的制备及结构分析  44-63
  2.1 前言  44-45
  2.2 样品制备与测试  45-47
    2.2.1 陶瓷制备  45-46
    2.2.2 陶瓷性能测试  46-47
  2.3 实验结果与分析  47-60
    2.3.1 LNO陶瓷的结构分析  47-55
    2.3.2 LFNO陶瓷的结构分析  55-58
    2.3.3 LSMO陶瓷的结构分析  58-60
  2.4 本章总结  60-61
  参考文献  61-63
第三章 陶瓷烧结温度对银基复合电接触材料性能的影响  63-84
  3.1 前言  63
  3.2 样品制备与测试  63-64
  3.3 实验结果与分析  64-81
    3.3.1 物理性能与烧结温度的关系  64-69
    3.3.2 触点工作性能与烧结温度的关系  69-71
    3.3.3 烧结温度对Ag/LNO触点性能的影响  71-81
  3.4 本章总结  81-82
  参考文献  82-84
第四章 银基陶瓷复合电接触材料的性能研究  84-101
  4.1 前言  84-85
  4.2 样品制备与测试  85-86
  4.3 实验结果与分析  86-99
    4.3.1 Ag/导电陶瓷触点静态电性能分析  86-88
    4.3.2 Ag/导电陶瓷触点的工作性能  88-89
    4.3.3 Ag/导电陶瓷触点动态电性能分析  89-93
    4.3.4 Ag/导电陶瓷触点烧蚀后金相表面分析  93-95
    4.3.5 烧蚀前后导电陶瓷相结构变化  95-98
    4.3.6 表面形貌分析  98-99
  4.4 本章总结  99
  参考文献  99-101
第五章 浸润性对Ag/LFNO电接触材料性能的影响  101-116
  5.1 前言  101
  5.2 样品制备与测试  101-103
  5.3 实验结果与讨论  103-113
    5.3.1 LFNO陶瓷的导电性能研究  103-105
    5.3.2 浸润性研究  105-107
    5.3.3 触点材料工作性能分析  107-108
    5.3.4 材料电阻率研究  108-109
    5.3.5 差热热重分析  109-111
    5.3.6 电接触材料力学性能分析  111-112
    5.3.7 电接触材料断面形貌观察  112-113
  5.4 本章总结  113
  参考文献  113-116
第六章 改性添加剂对电接触材料性能的影响  116-135
  6.1 前言  116
  6.2 样品制备与测试  116-117
  6.3 实验结果与讨论  117-133
    6.3.1 陶瓷的种类及添加量对材料性能的影响  117-123
    6.3.2 陶瓷及改性剂添加量不同对材料性能的影响  123-124
    6.3.3 Ag/LFNO(10)+Ni(1)材料电接触性能研究  124-125
    6.3.4 Ni及陶瓷添加量不同对材料电接触性能的影响  125-130
    6.3.5 Ag/LNO(8)+Ni(1)材料电接触性能研究  130-133
  6.4 本章总结  133-134
  参考文献  134-135
第七章 论文总结  135-138
发表论文目录  138-140
致谢  140-141
Paper One  141-150
Paper Two  150-157
学位论文评阅及答辩情况表  157

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 功能材料
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