银氧化铜电触头材料中纤维状氧化铜控制机制及其与电接触性能的关联性

Silver copper oxide composite is a new kind of enviromental friendly electrical contact material.In pre-research works,the phenomenon had been found that there are two kinds of copper oxides with cubic and orthorhombic crystal structure in silver copper oxide composite material fabricated by in-situ reaction synthesis ,where the copper oxides with cubic can deform and become fibrous after the silver copper oxide composite material is severe plastically deformed. However, it is unclear that of formation mechanism and deformation conditions of the copper oxides with cubic crystal structure and effect of fibrous copper oxides on electrical contact properties of AgCuO composite， which is the most important for fabricating AgCuO composite with good properties. Therefore,these problems would be systematically and deep investigated in order to develop this new kind of AgCuO electrical contact material in this project. Firstly, comptitive formation mechanism of copper oxides with two kind of crystal structure would be analyzed by thermodynamic and dynamics,and stability of copper oxides with deferent crystal structures and crystallographic relationship between copper oxides and silver matrix would be investigated by the first principles calculation in order to clarify formation condition of the copper oxides with cubic crystal structure. Secondly, the factors influencing formation of fibrous copper oxides during severe plastic deformation would be investigated.Then, adjustment and control foundation of shape of copper oxides would be clearly explained. Finally, effect of content of fibrous copper oxides and structure of interface between copper oxides and silver matrix on electrical contact properties of AgCuO composite would be analyzed by arc erosion test and relationship between fibrous copper oxides and electrical contact properties of AgCuO composite would be brought to light. It would has important scientific significance that results of this project would be theoretical basis for development of new kind of silver matrix composite reinforced fibrous and granular copper oxides.

银氧化铜是一种新型环保的电触头材料。前期研究工作发现，原位反应合成银氧化铜电触头材料中，有立方晶体结构和单斜晶体结构两种氧化铜，且立方结构的氧化铜在累积挤压大塑性变形中能够变形，形成纤维状。但是，目前对立方结构氧化铜的形成机理及变形条件，纤维状氧化铜与银氧化铜电触头材料性能间的关系尚不清楚，限制了这种新型电触头材料的应用。因此，本项目拟首先通过热力学和动力学理论，研究两种结构氧化铜形成的竞争机制；采用第一性原理研究两种结构氧化铜的稳定性及其与银基体的界面关系，弄清立方结构氧化铜的形成条件。研究累积挤压大塑性变形过程中，影响立方结构氧化铜变形的因素，阐明纤维状氧化铜形成的控制机制。通过电接触性能的测试，系统考察纤维状氧化铜与银氧化铜材料电接触性能的关联性。本项目研究可为纤维状和颗粒状氧化铜增强的银氧化铜新型电触头材料的应用提供理论指导，促进银金属氧化物电触头材料的发展，具有重要科学意义。

项目采用反应热力学与反应动力学分析、第一性原理模拟与有限元模拟，研究了原位反应合成银氧化铜电触头材料生成立方晶体结构氧化铜的条件及影响因素，以及在累积大塑性变形过程中，立方氧化铜变形的过程及影响其显微组织形态的因素。项目还对纤维状氧化铜含量不同的银氧化铜电触头材料的力学与电接触性能进行了分析，最终取得了如下结果：.1）通过第一性原理密度泛函理论模拟了立方晶体结构氧化铜的热力学参数，并通过化学反应的热力学计算，结果表明，原位反应过程中，发生单斜氧化铜转变为立方氧化铜的相变温度为1013.28K。.2）采用热重-差热分析，研究了氧化铜原位反应生成的动力学，结果表明，单质的常规单斜晶体结构氧化铜，在整个反应过程中只发生分解（1162.15K），并不存在转变为立方晶体结构氧化铜的相变温度；而从银铜合金中原位反应合成的氧化铜，在1002.05K、保持一定时间，出现单斜氧化铜转变为立方氧化铜的现象，这说明银的存在是氧化铜相变的保证，或者说银对氧化铜的相变起到催化作用。.3）由第一性原理的界面研究发现，无论哪种晶体结构的氧化铜，最稳定结合界面的原子成键状态都是基体原子与金属氧化物中的金属与氧原子都成键，说明银与氧化铜具有良好的结合界面。.4）由有限元模拟发现，挤压过程中立方氧化铜颗粒从进入变形区就开始变形，塑性变形主要发生在定径带内；挤压温度和单斜氧化铜颗粒对纤维状氧化铜组织形态有一定影响；单斜氧化铜颗粒在挤压变形过程中只发生位置的偏移或移动，自身变形不明显。.5）研究了纤维状氧化铜对银氧化铜性能的影响，结果表明随着纤维状氧化铜含量的增加，银氧化铜电触头材料力学性能与电接触性能都有所提高。纤维状氧化铜含量最高的银氧化铜电触头材料的显微硬度、抗拉强度、延伸率、抗熔焊性、电接触时的接触电阻都最好，这说明纤维状氧化铜能够提高银氧化铜电触头材料的综合性能。. 总之，通过本项目的研究，明确了原位反应合成银氧化铜电触头材料中形成纤维状氧化铜显微组织的主要影响因素及控制条件，这对获得高含量（或完全）的纤维状氧化铜显微组织的银氧化铜电触头材料的工艺制定具有重要的理论指导意义。项目还研究了纤维状氧化铜含量对银氧化铜电触头材料力学及电接触性能的影响，这对促进纤维状氧化铜增强银的银氧化铜电触头材料的产业化及产品应用具有重要的现实意义。