新型组元触点材料及其电弧侵蚀研究进展

电触点材料广泛应用于电气开关、继电器、接触器以及断路器等各种低压开关器件中,其特性对整体电气系统的开关容量、可靠性、稳定性以及使用寿命具有极其重要意义。传统Ag基触点材料具有良好的抗熔焊及耐电弧烧蚀性能,但仍然存在接触电阻大、界面结合强度低、塑性差等缺陷,其应用也在一定程度上受到限制。近年来,国内外研究工作人员在传统Ag基触点材料的研究基础上报道了Ag-SnO₂-MeO、Ag-GNPs、Ag-MAX及Ag-RE等新型组元触点材料的研究工作。将从新型Ag基触点材料的发展背景出发,综述其组织与性能以及电弧侵蚀性能等方面的研究现状,最后总结新型Ag基触点材料面临的关键科学问题和挑战,并展望其未来的发展动向。     

磁驱动弓网电弧及其侵蚀特性研究

在列车运行时,由于接触线硬点、轨道不平顺、车体振动等因素导致列车弓网弹跳分离频繁,致使弓网间隙被击穿,弓网电弧随之产生,高温度的电弧会严重损伤受电弓滑板,引起受电弓滑板材料的严重损耗,显著缩短其服役寿命同时威胁列车安全运行。因此,有必要专门针对弓网电弧侵蚀问题进行研究。本文通过搭建了电弧实验平台,引入磁场对电弧运动行为进行调控,得出了不同磁场条件下弓网电弧的运动行为及侵蚀特性。研究结果表明:①磁场驱动下弓网电弧的运动特性与磁场的大小有关:磁场越强,电弧的运动速度越大,并且电弧相同时间内停靠的位置越远;②磁场驱动下弓网电弧对电极材料的烧蚀与磁场的大小有关:磁场越大,电弧的运动速度越快,电极表面的热量散失越快,电极材料表面的熔池深度和半径越浅,说明了磁驱动下的弓网电弧能够有效减少对弓网系统的侵蚀。     

触点材料与绕组的匹配及有关问题的探讨

本文叙述有关触点材料及绕组材料的发展趋势,简单介绍贵金属合金及有色合金触点材料与电位器绕组材料的品种、要求和概况。研究小功率触点材料及电位器绕组材料的匹配问题,并列举出一些电位器绕组材料与电刷匹配关系的典型例子,认为如二者匹配不当则会造成磨损,形成磨损产物和金属疖瘤,而致断络报废。并对影响接触电阻的各种关系,如材料硬度对接触电阻的影响、接触压力、几何形状、化学稳定性、抗电侵蚀性、抗磨性、金属表面上生成氧化物、硫化物和有机污染膜等都会影响元件的接触电阻和稳定性,提出了看法。又对接触材料的电侵蚀及金属转移,影响电弧特性的因素等现象进行了探讨,认为电刷材料和电位器匹配不合理时,可产生电弧,在元件之间出现缺陷,影响因素较多,如气压、温度、湿度、接触表面状态和接点形状等都有一定关系,可加入难熔金属和高蒸汽压的金属起消弧作用,并提出今后应注意的发展趋向。对以上这些关系和现象,进行了论述和研究讨论,通过这些问题的探讨将有助于触点材料和绕组材料的选择与匹配,以防止仪器仪表中电位器与触点的某些障碍,得以改进和提高。     

AgSnO_2触头材料电弧侵蚀特征的分子动力学模拟

研究电接触材料电弧侵蚀作用过程中灭弧过程的微观机理,采用分子动力学和实验的方法对反应合成的AgSnO2电接触材料的熔池行为进行模拟。结果表明:根据起弧时的物相所构建的模型,能够准确地模拟熔池特征,熔池内部物质运动和存在状态是决定耐电弧侵蚀的关键因素。可通过增加反应合成AgSnO2电接触材料与基体浸润的氧化物组分,以及氧化物发生物态变化、化学分解过程来达到熄弧的目的。     

ZnO含量对AgCuOIn2O3SnO2ZnO材料电接触性能的影响

实验采用原位反应合成法制备了4种ZnO含量不同的AgCuO(10)In₂O₃(2)SnO₂(2)ZnO(x),(x=0.5、1、1.5、1.8)电接触材料并制成电触头铆钉，通过XRD、SEM、JR04C触点测试机等测试手段，分析了ZnO含量对材料电接触性能的影响。结果表明：电流电压的同时增大，材料电弧侵蚀现象更为明显；ZnO含量对接触电阻、熔焊力、阳极损耗及材料转移有着不同规律的影响，ZnO含量为1.8%(质量分数)的触头具有相对稳定且较低的接触电阻，当ZnO含量为1.0%(质量分数)时平均熔焊力最低，随着ZnO含量的增大，阳极损耗及质量转移质量呈现先减小后增大的趋势，但ZnO含量对于燃弧能量的影响不明显；电弧侵蚀后的阳极表面形成凹坑，阴极表面形成凸峰，ZnO含量的不同，阳极表面侵蚀面积及侵蚀形貌略有不同。对比发现，添加一定含量的ZnO对于AgCuO(10)In₂O₃(2)SnO₂(2)材料的电接触性能有所提升。     

Ti3SiC2含量对Ag-Ti3SiC2电接触材料电弧烧蚀行为的影响(英文)

本实验全面研究了Ti₃SiC₂含量对Ag-Ti₃SiC₂接触材料电弧烧蚀行为的影响;Ag-Ti₃SiC₂复合材料经10 kV电弧烧蚀被分解氧化并形成AgO,TiO₂和SiO₂,在阴极表面形成突起、气孔、剥离和褶皱。随着Ti₃SiC₂含量的增加,电弧在Ag-Ti₃SiC₂复合材料烧蚀表面上分散激溅。在复合材料中加入30 vol.%的Ti₃SiC₂,Ti₃SiC₂的锁住效应可以将熔融的Ag封锁,有效地降低Ag基体的飞溅现象和电弧烧蚀对接触材料的侵蚀效应。     

粗晶/细晶CuCr50触头材料的电弧运动行为及其烧蚀特性

将高能球磨和等离子烧结(SPS)技术相结合制备出粗晶和细晶CuCr50电触头材料，对其成分、密度、显微硬度和电导率、放电过程中触头表面阴极斑点的分布、移动速度和触头表面侵蚀的形貌进行表征，研究了粗晶和细晶CuCr材料的电弧侵蚀特性。结果表明，细晶CuCr50触头的硬度(160.29HV)比粗晶CuCr50触头的硬度(104.15HV)高，在50 Hz工频条件下细晶触头阴极斑点的运动速度为16.9 m/s，比粗晶触头的17.78 m/s低4.9%。这表明，粗晶触头表面的阴极斑点运动到触头边缘的速度略比细晶触头的高。与粗晶触头相比，在燃弧过程中细晶触头表面产生的阴极斑点尺寸小、数量多、亮度低且更均匀；在电流幅值相同的条件下，细晶CuCr触头的电弧电压降比粗晶触头的低。电弧烧蚀后细晶CuCr触头的整体形貌平整，没有明显的大烧蚀坑和液滴喷溅。综合研究结果表明，细化第二相Cr相能显著提高CuCr50触头的整体电接触性能，细晶CuCr50触头的抗电弧烧蚀特性比粗晶触头的高。     

SnO2添加剂对AgCuOIn2O3复合材料电接触性能的影响

采用反应合成法结合塑性变形工艺制备了不同SnO2含量的AgCuOIn2O3SnO2电触头材料,在JF04C触点材料测试机上对不同SnO2含量的电触头材料进行电接触实验,研究了该材料的接触电阻、抗熔焊性和材料转移特性,并通过扫描电镜对试样阴/阳表面电侵蚀下的微观形貌进行了分析.结果表明AgCuOIn2O3SnO2触头材料...     

载流摩擦磨损中影响起弧的因素分析

以铜基粉末冶金/铬青铜为摩擦副,在销-盘式摩擦磨损试验机上进行了载流摩擦学特性研究。在多种试验条件下对载流摩擦磨损中影响起弧的因素进行了分析。结果表明,载荷主要是通过影响接触状态和摩擦副表面温度,进而影响材料的电弧性能。载荷有一个最佳值,在此载荷条件下燃弧率、电弧能量、摩擦系数、质量磨损率均最小;电流在两电极间产生电场是形成电弧放电的必要条件,电流主要影响了摩擦副的表面温度,从而使摩擦副表面状态变差。     

单电源驱动多路电弧方法对比研究

多路电弧的产生方法对提升材料处理或气体合成的效率具有重要意义,而目前产生多路电弧时通常需要多个电源,显著增加了应用成本。因此,本文重点对比研究了单电源驱动多路电弧的方法,设计了多对电极串联、多对电极并联(支路串联电容)以及多对电极并联(支路串联电容或电感)共三种电路结构,均实现了起弧与电弧稳定维持,并对击穿特性、电弧稳定电压电流特性进行了分析。结果表明:在多对电极串联时,多路起弧与电源输出电压紧密相关,即电极对数越多所需开路电压越高;在多对电极并联(支路串联电容)时,多路起弧与电源输出电流紧密相关,即电极对数越多则所需输出电流越大;在多对电极并联(支路串联电容或电感)时,电路中电感的磁饱和效应造成各元件电压电流的突变,影响各电弧的稳定与功率分配。本文对比研究了单电源产生多路电弧的三种方法,可有效降低应用成本,为电弧在材料处理与气体合成应用提供技术支撑。     

不同TiB2颗粒粒径的TiB2/Cu复合材料耐电弧侵蚀行为

采用放电等离子烧结法（SPS）制备了不同TiB₂颗粒粒径的3wt% TiB₂/Cu复合材料,研究了3wt% TiB₂/Cu复合材料致密度、导电率、硬度和耐电弧侵蚀性能随TiB₂颗粒粒径的变化规律,重点分析了不同TiB₂颗粒粒径的3wt% TiB₂/Cu复合材料耐电弧侵蚀行为。结果表明:3wt% TiB₂/Cu复合材料致密度和硬度随TiB₂颗粒粒径的增大而略有降低;TiB₂颗粒粒径越小,TiB₂/Cu复合材料的综合性能越好。随着TiB₂颗粒粒径的增大,3wt% TiB₂/Cu复合材料耐蚀稳定性降低,3wt% TiB₂/Cu阴极材料的损耗量明显增加;当TiB₂颗粒粒径为10 μm时,3wt% TiB₂/Cu复合材料的耐电弧侵蚀性能最佳。电弧蚀形貌观察表明:不同TiB₂颗粒粒径的3wt% TiB₂/Cu复合材料经电弧侵蚀后,3wt% TiB₂/Cu复合材料均由阴极向阳极发生转移;随着TiB₂颗粒粒径的增大,阴极质量损耗逐渐增加,触头表面电弧侵蚀面积增加;而在Cu基体中引入较小的TiB₂颗粒,有利于减弱电接触实验过程中TiB₂/Cu复合材料的喷溅现象。      

真空烧结制备电触头Cu-W/Al2O3合金组织和侵蚀性能分析北大核心CSCD

选择真空烧结方法制得组成为Cu-33.6W/Al2O3与Cu-26.8W/Al2O3的两种合金,并对电导率、组织致密度以及表面硬度进行分析,表征了经过电弧侵蚀得到的微观形貌及其熔焊性能。研究结果表明:以真空烧结方式制得的Cu-W/Al2O3触头达到了高于97%的致密度,随着W含量的提高,试样电阻率减小,硬度增加。在铜基体中出现了弥散态的Al2O3颗粒,实现弥散增强效果,显著提升合金耐高温能力。对阳极与阴极触头进行每次电接触测试时都发生了质量减小。采用DC(30 V,30 A)参数对触头阳极与阴极进行侵蚀,形成了长条状、液滴形以及凹凸变化的微观侵蚀形貌。施加10 A电流时,在最初测试阶段形成了大幅波动的熔焊力,随着合金内的W比例从26.8%提高到33.6%的过程中,材料获得了更强的抗熔焊性能。     

多粒径TiB2/Cu复合材料耐电弧侵蚀行为

采用粉末冶金工艺制备了不同配比的多粒径(2 μm+10 μm+50 μm) TiB₂/Cu复合材料。通过JF04C触点材料测试系统对多粒径TiB₂/Cu复合材料进行耐电弧侵蚀性能试验,研究(2 μm+10 μm+50 μm) TiB₂颗粒质量比分别为1∶1∶1、1∶1∶3、1∶3∶1、3∶1∶1时,TiB₂/Cu复合材料的耐电弧侵蚀性能及电弧侵蚀形貌变化规律,探究多粒径配比对TiB₂/Cu复合材料表层耐电弧侵蚀行为的影响。结果表明:当(2 μm+10 μm+50 μm) TiB₂颗粒质量比为1∶1∶1时,TiB₂/Cu复合材料相对密度和导电率最高,分别为99.1%和87.1%IACS。当(2 μm+10 μm+50 μm) TiB₂颗粒质量比为1∶1∶1和1∶3∶1时,TiB₂/Cu复合材料的组织均匀性较好,电弧侵蚀后材料损失相同,材料转移量最少。其中,质量比为1∶3∶1时,TiB₂/Cu复合材料平均燃弧能量最低,且燃弧时间和燃弧能量最稳定。研究表明,这与复合材料的综合物理性能密切相关。在颗粒增强Cu基复合材料设计过程中,引入合适配比的多粒径TiB₂颗粒有助于提高TiB₂/Cu复合材料的密度、导电率等综合物理性能。电弧侵蚀过程中,不同粒径的TiB₂颗粒相互协同作用,有助于提高TiB₂/Cu复合材料的耐电弧侵蚀性能和服役稳定性。      

电流密度对CNTs-Ag-MoS2-G复合材料滑动电摩擦磨损性能的影响

滑动电接触材料应具有良好的耐磨性能以及出色的导电性能,在航空航天领域中,制造先进的电接触材料尤为重要.实验中采用粉末冶金法制备CNTs-Ag-MoS2-G复合材料,研究了复合材料电摩擦磨损过程中的接触电阻及磨损率的变化,并通过扫描电子显微镜观察材料磨损后表面形貌.实验结果表明:在电流密度从5A/cm2增加到15A/cm2的过程中,复合材料接触电阻下降,体积磨损量增加,并且由于电弧侵蚀作用的影响,正刷的磨损量大于负刷,碳纳米管的特殊的基体增强作用及一定的导电导热能力使得CNTs-Ag-MoS2-G复合材料磨损量小于Ag-MoS2-G复合材料磨损量.     

电流密度对CNTs-Ag-MoS2-G复合材料滑动电摩擦磨损性能的影响EI

滑动电接触材料应具有良好的耐磨性能以及出色的导电性能,在航空航天领域中,制造先进的电接触材料尤为重要.实验中采用粉末冶金法制备CNTs-Ag-MoS2-G复合材料,研究了复合材料电摩擦磨损过程中的接触电阻及磨损率的变化,并通过扫描电子显微镜观察材料磨损后表面形貌.实验结果表明:在电流密度从5A/cm2增加到15A/cm2的过程中,复合材料接触电阻下降,体积磨损量增加,并且由于电弧侵蚀作用的影响,正刷的磨损量大于负刷,碳纳米管的特殊的基体增强作用及一定的导电导热能力使得CNTs-Ag-MoS2-G复合材料磨损量小于Ag-MoS2-G复合材料磨损量.     

汽车继电器用AgMeO触点材料不同配对方式时的性能

为了探究触点配对方式对汽车继电器电接触性能的影响,选取AgMeO型触头材料进行实验,采用粉末冶金法制备AgSnO₂, AgCuO和AgZnO 3种触头材料,并测量其物理性能,采用JF04C电接触触点材料测试系统,按5种不同触点配对方式进行电接触实验,并对实验前后的阴阳极触点进行称量,实验结果表明：触点配对方式对接触电阻,材料转移和损耗影响较大,对燃弧能量的影响较小,通过对触点进行不对称配对可以明显降低接触电阻和材料转移和损耗,明显改善汽车继电器的接触性能.     

碳纳米管和TiB2混杂增强铜复合材料的电弧侵蚀行为

采用放电等离子烧结（SPS）工艺制备出不同混杂比例碳纳米管（CNTs）和TiB₂混杂增强铜（CNTs-TiB₂/Cu）复合材料,对复合材料致密度、硬度、导电率、导热率和显微组织进行了对比和分析。同时对复合材料进行了电接触试验,研究了不同电流条件下CNTs与TiB₂混杂比例对CNTs-TiB₂/Cu复合材料电弧侵蚀行为的影响。结果表明:随着CNTs与TiB₂混杂比例的增加,CNTs-TiB₂/Cu复合材料的密度、硬度、导电率和导热率逐渐降低,铜基体晶界分离现象越来越明显;在特定电流条件下,合适的CNTs-TiB₂混杂比例可提高CNTs-TiB₂/Cu复合材料的抗电弧侵蚀性能;当电流为5 A和10 A时,CNTs与TiB₂混杂比例为4∶1的平均燃弧能量、平均燃弧时间和材料转移量达到最低,而电流为15 A时,CNTs与TiB₂混杂比例为1∶4的平均燃弧能量、平均燃弧时间和材料转移量达到最低。电弧侵蚀后阴极出现熔池、气孔及熔融金属铺展等特征,且随着CNTs与TiB₂混杂比的增加,CNTs-TiB₂/Cu复合材料熔池面积减小,气孔数量变少,熔融金属铺展的特征减弱。      

金属触头电接触性能研究进展

日常生活中,所有的电力传输和分配、大部分控制系统和大多数信息交换,都依赖于通过电接触实现电流传输。触头承担这种接通、承载和分断电流的作用,其电接触性能影响甚至决定着整个电路系统的质量、性能、使用寿命与技术水平。触头一旦失效将导致严重的后果,小到家电开关如电灯无法点亮,大到电力系统无法正常供电,使一个大都市的交通、生活等瘫痪。基于电接触性能的重要性,自20世纪50年代电接触形成一门独立的学科以来,该领域一直是相关学者研究的重点。电接触的产生、持续和消除是一个复杂的物理、化学过程,是力、热、电、磁及材料冶金效应互相作用的结果,其复杂性使得人们对很多电接触现象、过程的本质和作用机理认识不够深入和透彻,需要进一步的研究探索。同时,随着时代发展和科技进步,不断涌现的新材料(例如针对碳纳米管和石墨烯材料接触电阻的研究)、新的使用要求(例如在特高压输电领域进一步提高动态接触电阻测量模型的精度和有效性)以及新的服役条件和应用环境(例如针对我国高速铁路轮轨的接触电阻研究),对电接触性能的研究提出了新的挑战,促使相关研究亟需在深度上进一步深化,同时在广度上进一步拓展。近年来,电接触性能在不同方面都取得了不少研究进展。在接触电阻方面,引入了一些新的计算方法,使数学模型得到不断的改进和优化。在中高压电领域,学者不断改进高压断路器动态接触电阻的测量方法和计算模型,获得了更为精准的动态接触电阻,对各种影响因素的研究也更加深入,利用动态接触电阻对设备状态的评估和预测进行了初步的探索。材料转移方面,伴随微机电系统的发展,在微观及更小尺度上,研究者利用一些异于传统的新方法、新设备和新模型,发现了与宏观尺度不同的材料转移机理。低压电器领域以替代"万能触头"银氧化隔为目标,高压和真空电器领域以提高Cu基电接触材料性能为目标,学者们主要通过合金化和复合化研发了众多新材料,电侵蚀性能的研究主要围绕这些新材料展开。研究发现,不论对银基还是铜基电接触材料,新型可加工陶瓷材料MAX相是一种改善电弧侵蚀的潜在增强相。此外,增强相颗粒尺寸减小可以提升抗电侵蚀性能。本文对近年来金属触头电接触性能的研究进展进行了归纳总结,分别从普遍关注的接触电阻、材料转移、电侵蚀性能三个方面阐述了国内外对触头电接触性能的研究现状,最后,对电接触性能未来的研究趋势和热点进行了展望。     

航天电连接器加速性能退化试验可行性研究

为解决高可靠长寿命的航天电连接器即使进行加速寿命试验也难以获得失效数据的问题,对电连接器失效模式以及长期贮存下接触性能变化结果进行分析,表明电连接器性能退化存在可能性,并根据长期贮存下试验数据的验证,得出电连接器性能具有退化特性.通过温度加速应力下电连接器接触性能数据的分析,得出其性能退化具有加速性,还具有一定的加速退化规律,这为采用加速性能退化试验对航天电连接器进行可靠性评估提供了依据.     

低压继电器用AgSnO2触头材料的研究进展

简述了低压继电器用触头材料的工作状态、性能要求和AgSnO2材料的典型制备工艺.通过分析电弧侵蚀作用后的触头表面组织结构及其对电性能的影响,提出了降低接触电阻、增强界面结合强度和分散电弧的主要改善手段,并展望了AgSnO2材料的发展趋势.