Ag/SnO2触点材料界面性能提升及力学行为研究

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Ag基触点材料是继电器、断路器和接触器等低压电器的核心部件,担负着电流的连接、传导和分断任务,其性能优劣直接影响整个供电系统的可靠性和安全性。环保型Ag/SnO2触点材料因具有优良的抗熔焊、耐电弧侵蚀性能而被广泛关注。然而,分布在Ag基体的高硬度SnO2颗粒易引起严重的界面应力集中,诱发裂纹萌生和扩展;并且,由于SnO2颗粒与Ag基体的界面润湿性差,结合强度低,导致Ag/SnO2材料的塑性和延展性差、加工困难。上述问题在很大程度上限制了Ag/SnO2材料的广泛应用,难以满足电器向小型化、高可靠性、长寿命发展的迫切需求。本文通过调控添加剂负载方式和SnO2的微观结构来改善Ag/SnO2材料的界面结合强度和断裂韧性,试验结合数值模拟系统研究了不同添加剂对Ag/SnO2材料力学行为的影响,重点模拟分析了材料的界面损伤演化过程和断裂机理。主要研究内容及结论如下:对含有纳米Cu添加剂的Ag/SnO2材料进行单轴拉伸和加/卸载循环试验等力学性能测试,并表征断口形貌和塑性变形分布特征,分析了Cu添加剂对材料断裂行为的影响。结果表明,纳米Cu添加剂的加入使Ag/SnO2材料的均匀伸长率和抗拉强度分别提高72%和58%。无添加的Ag/SnO2材料断口出现大量沿晶裂纹,表现为脆性断裂;加入Cu后断口表面出现大量韧窝和撕裂棱,为典型的韧性断裂。Cu添加剂不仅提高界面强度,而且有效地抑制了裂纹的萌生和扩展。建立多颗粒随机分布的代表性体积元模型,采用内聚力模型模拟了含有纳米Cu添加剂的Ag/SnO2材料的拉伸性能及界面损伤过程。分析颗粒/基体载荷分配、局部应力、应变场分布、界面损伤起始和发展规律,预测了界面结合强度,揭示金属添加剂对Ag/SnO2触点材料的增强机理。模拟结果表明:加入纳米Cu添加剂后材料的内聚力强度从100 MPa增加到450 MPa。云图显示SnO2增强相周围出现了严重的应力集中,导致界面成为裂纹萌生、扩展的危险区域,SnO2颗粒附近的Ag基体承担高塑性变形。纳米Cu添加剂的加入提高了界面载荷传递能力。研究了不同纳米金属添加剂(Cu、Fe、Ni)对Ag/SnO2材料抗蠕变性能的影响规律,测试了材料经过10 h恒载荷作用下的蠕变变形情况,并用ABAQUS软件的时间硬化模型分析了Ag/SnO2材料内部应力和应变的分布规律。结果表明:纳米金属添加剂可显著提高Ag/SnO2材料的抗蠕变性能,其中,Cu添加剂的效果最佳,其次是Fe和Ni。采用Norton-Bailey本构方程进行模拟,研究发现加入金属添加剂后Ag/SnO2材料的变形主要以晶界滑移为主,SnO2增强颗粒及界面结合处一直处于高应力状态,界面两侧存在严重的变形不协调现象。金属添加剂有助于界面结合强度的改善,提高了Ag/SnO2材料的抗蠕变性能。为提高添加剂对应力集中的缓解效果,在SnO2颗粒表面原位负载纳米Cu O颗粒,系统研究了Ag/SnO2(Cu O)材料的力学行为和微观结构变化。基于Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)模型理论模拟了负载Cu O颗粒的Ag/SnO2材料界面孔洞损伤演化过程。结果表明Cu O颗粒附近位错缠结的形成有助于Ag基体应变均匀化,从而提高了材料强度和塑性,尤其是在较高的加载速率下表现出更好的塑性变形能力。基于有限元逆解法确定了GTN模型参数,模拟结果表明,Cu O的加入改变了孔洞形核位置,从界面处转移到Ag基体内部。在Ag/SnO2材料中,孔洞的形核和聚合主要发生在界面处,加入Cu O负载颗粒后抑制了材料界面处的孔洞形成。为缓解SnO2颗粒附近界面处的应力集中、提高复合材料断裂韧性,采用内表面含有Cu O和Cu的多孔SnO2颗粒为增强相,系统研究了Ag/SnO2材料的压缩性能。结果表明:Ag/SnO2材料内部的应力集中主要发生在多孔SnO2相的内部,抑制界面裂纹的萌生;负载Cu O颗粒有利于界面强度的提高,同时又不会造成导电率的损失。SnO2增强相的多孔结构对裂纹尖端产生屏蔽作用,能够抑制裂纹扩展,从而提高Ag/SnO2材料的断裂韧性。
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