贵金属电接触材料中的熔桥-电弧耦合行为机理的实验和模拟研究

Molten Bridge and arc is subject to be solved and the research of important basic problems and phenomena in electric contact field, and molten bridge - arc coupling problem is one of the new problems to be solved. At present in the field of aerospace, aviation, precious metals based electric contact material is widely used, in the actual use, the molten bridge - arc coupling behavior is very significant, and lead to device failure ratio is very large. Mainly molten bridge - arc coupling problem is more than a physical fields and multi-factor coupling complex problems; But it is also because people for molten bridge - arc coupling behavior between the microscopic characteristics and influencing factors of the specific process and mechanism is not clear. This study aimed at the problem, in a typical precious metals base electrical contact materials for the study of the carrier, based on research means and methods, such as high-speed camera research material type, material phase change, contact stress, contact surface shape factor, evolution characteristics of molten bridge - arc coupling action mechanism and the influence of the phenomenon. In the related theory and the basis of the measured data, adopt the method of finite element method calculation comparison with the experimental results, discuss the evolution characteristics of molten bridge - arc coupling behavior and mechanism of action. Research results have important academic value and theoretical significance. At the same time, the achievements will be well of high reliable electrical contact material design and optimization to provide important guiding role using in spaceflight, aviation and other fields.

熔桥和电弧问题是电接触学科待解决和研究的重要基本问题和现象，而熔桥-电弧耦合问题就是其中有待解决的新问题之一。目前航天、航空等领域中大量使用的贵金属基电接触材料实际使用中发现了熔桥-电弧耦合现象十分明显，且导致的器件失效占比很大。这主要由于熔桥-电弧耦合问题是一个多物理场、多因素耦合的复杂问题；同时也因为人们对熔桥-电弧耦合行为的微观特征及影响因素之间的具体作用过程和机制不清。本研究针对该问题，以典型贵金属基电接触材料为研究载体，依托高速摄像等研究手段和方法，研究材料类型、材料相变、接触压力、触头表面形状等因素，对熔桥-电弧耦合行为的演化特征的作用机制以及相关现象的影响。在相关理论和实测数据为基础上，采用有限元计算与实验结果比较的方法，探明熔桥-电弧耦合行为的演化特征和作用机理，研究成果不仅具有重要的学术价值和理论意义，而且对航天、航空领域中的高可靠电接触材料的设计和性能优化提供指导。

熔桥和电弧问题是电接触学科待解决和研究的重要基本问题和现象，而熔桥-电弧耦合问题就是其中有待解决的新问题之一。目前航天、航空等领域中大量使用的贵金属基电接触材料实际使用中发现了熔桥-电弧耦合现象十分明显，且导致的器件失效占比很大。这主要由于熔桥-电弧耦合问题是一个多物理场、多因素耦合的复杂问题；同时也因人们对熔桥-电弧耦合行为的微观特征及影响因素之间的具体作用过程和机制不清。本研究针对该问题开展研究，在制备了Ag基、Au基、Pt基、Pd基等电接触材料后，确定了电触头分断过程中熔桥-电弧作用为主的电流－电压实验条件；采用改进的电接触行为研究专用高速摄像设备。通过高速摄影和形貌观察手段，研究了不同材料类型、试验条件等因素对熔桥-电弧耦合行为的演化特征的作用机制，以及相关现象的影响。发现熔桥和电弧相互促进，但也具有排斥性。主要表现为二者共存时位置相间隔，熔桥可以诱导电弧，电弧可以促进熔桥生成，二者共同出现需要一定的电流-电压条件，二者共存是一种普遍现象。建立了相应电弧-熔桥耦合行为的有限元模拟计算模型。研究中构建了专门的贵金属电接触材料高通量制备、加工专用装置，实现了低成本、高效的高通量制备技术。特别是首次发现了电弧与Ag基稀土合金中不同物相作用差别的直接实验证据。研究成果具有重要的学术价值和理论意义，而且对航天、航空领域中的高可靠电接触材料的设计和性能评价提供了指导。