TCO/Cu界面的润湿性及其对铜基电触头材料致密化及性能的影响

Copper-based electrical contact materials represent promising trend in developing silver-saving and environment-friendly electrical contact materials. The practical demanding for such materials increases with the consumption of limited silver source and its consecutively increasing price. The primary drawback that blocking the application of copper-based materials in low-voltage electrical contacts is the contact instability due to oxidization. The keypoint is to solve the wettability between second phases and the matrix. This project is to investigate the effects of wettability of TCO/Cu composites on the materials synthesis and its performance. The in-situ synthesis technique of micro/nano structures second phase will be optimized, and the surface states of composites after are erosion will be characterized. The interface wettability is to be tuned through the control of phase components, morphology and structure of TCO phase, as well as the alloying of matrix. The influence of interface wettability on the densification, oxidization and arc erosion of contact materials will be studied. The correlation between interface wettability and materials fabrication and physic-chemical reactions under practical operation is to be explored, which should be crucial for the design of high-performance copper-based low-voltage electrical contact materials.

铜基电接触材料是低压电器用触头材料节银环保设计的重要发展方向之一，其需求的迫切性随着贵金属银资源的匮乏和银价的攀升与日俱增。铜基材料作为低压电器用电触头的最大障碍在于其氧化造成的接触状态不稳定问题。目前，解决这一问题的关键所在是调控第二相与基体之间润湿性。本项目拟针对TCO/Cu复合材料相界面润湿性对其致密化与损伤行为的影响开展研究，突破微纳米第二相原位合成工艺及材料氧化和电弧烧蚀后表面状态表征等关键技术，通过TCO相成分、形态、微观结构，以及基体合金化程度等参数变化实现相界面润湿性调控，进而研究材料相界面润湿性对致密化、氧化、电弧烧蚀等过程的影响规律，揭示界面润湿性对TCO/Cu复合材料制备和服役过程中物理化学反应的影响机制，为高性能铜基低压电接触材料设计原则的完善奠定理论基础。

铜基材料作为低压电器用电触头的最大障碍在于其氧化造成的接触状态不稳定问题。目前，解决这一问题的关键所在是调控第二相与基体之间润湿性。本项目利用座滴法完成了铜及其合金在氧化物基板上润湿的动力学过程观察，测量和表征了合金元素对界面润湿性的影响规律，发现La元素对润湿性的改善作用最大，Zr元素次之，Cr和Ag元素对润湿性的影响相近。利用第一性原理对SnO2/Cu界面润湿性进行了计算，发现高价掺杂降低其界面结合强度，低价掺杂则能够有效提高界面结合强度和稳定性。本研究利用共沉淀法合成了掺杂SnO2二元TCO粉体，以及Zn2SnO4及CdMoO4等三元TCO粉体，并尝试水热法合成了Zn2SnO4粉体，在系统研究工艺参数对合成产物物相、形态及粒度分布等指标的影响规律的基础上，确定了合成的工艺窗口。在此基础上，针对Zn2SnO4及CdMoO4等三元TCO与铜粉的伪共沉积法，原位合成了两种三元TCO/Cu复合粉体，并通过工艺参数对合成产物纯度、粒度及分散性的影响规律的研究，实现了上述两种体系复合粉体的可控合成。在Cu-TCO界面润湿性对烧结动力学影响方面，对二元和三元TCO改性铜基复合材料的冷压成型、坯件固相反应烧结、压力加工致密化处理等工艺过程中，坯件成分、组织、缺陷及物理机械性能的演化规律进行了系统分析，探讨了基体相成分及TCO的成分和微观结构对烧结动力学的影响规律及机制，优化了物理、物理化学及服役特性试验样品制备的工艺参数范围。在复合材料氧化动力学研究方面，对不同温度和湿度条件下复合材料氧化动力学曲线进行了测定，分析和表征了氧化膜的成分，确定了铜基材料氧化行为的抛物线规律和立方规律的产生条件，探讨了氧在表面膜中的扩散速率对氧化膜生长过程的控制效应，并对氧化后表面的接触导通特性进行了表征。以Zn2SnO4/Cu复合材料为例，开展了电弧烧蚀行为研究，在系统测量次数对烧蚀量和接触电阻的影响规律的前提下，分析了表面损伤行为，将损伤区域进行划分，并对各区域中第二相的存在状态进行了系统表征，初步建立了第二相的润湿性与熔池粘度的定性关系。本项目的研究成果揭示了界面润湿性对TCO/Cu复合材料制备和服役过程中物理化学反应的影响机制，为高性能铜基低压电接触材料设计原则的完善奠定理论基础。