TiB2颗粒和CNTs混杂增强铜基复合材料制备及其电接触行为研究

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电接触材料是影响开关电器通断转换能力和可靠性的关键所在,要求具有良好的导电导热性、抗熔焊、合适的硬度和强度以及耐电弧侵蚀等性能。通过在铜基体中引入少量导电的第二相,不仅可以提高材料的硬度和高温稳定性,同时保持铜基体较好的导电性,并有望提高铜基材料的耐电弧侵蚀性能。目前单一增强相强化铜基复合材料已不能满足日益苛刻的性能需求,采用多元混杂强化,发挥增强相的协同作用,是复合材料设计的热点方向之一。TiB2 颗粒和碳纳米管(CNTs)相对其他增强相,具有较好的导电性,是电接触材料理想的增强体。  本文采用热压烧结法制备了单一增强相的 TiB2/Cu 和 CNTs/Cu 复合材料,测试其密度、硬度和导电率,并观察其微观组织;系统研究了 TiB2 颗粒的粒径、含量以及表面改性对 TiB2/Cu 复合材料性能的影响,以及 CNTs 含量对CNTs/Cu 复合材料性能的影响。在 JF04C 型电接触测试系统中进行电接触试验,分别研究不同电流条件下单一增强相的 TiB2/Cu 和 CNTs/Cu 复合材料的燃弧时间、燃弧能量及其材料转移行为,从而确定 TiB2 颗粒和 CNTs 的最佳特征参量。在此基础上,设计并制备了 TiB2 颗粒和 CNTs 混杂增强铜基复合材料,重点研究了 TiB2 颗粒和 CNTs 的质量配比对复合材料耐电弧侵蚀性能的影响,分析了混杂增强铜基复合材料的耐电蚀机理。研究结果表明:  1. 随着 TiB2 颗粒质量分数的增加,TiB2/Cu 复合材料导电率逐渐降低,硬度逐渐升高;TiB2 颗粒粒径对 TiB2/Cu 复合材料的导电率影响不大,而硬度随TiB2 颗粒粒径的增加而降低。当 TiB2 质量分数为 3%、粒径为 10 μm 时, TiB2/Cu 复合材料的平均燃弧时间和燃弧能量最低,稳定性相对最高,电弧侵蚀后复合材料由阴极向阳极转移。此外,对 TiB2颗粒进行表面改性、增加 TiB2含量和减小 TiB2 粒径,均可以增加熔融金属黏度,减少液滴喷溅,从而降低复合材料的质量损耗。  2. 随着 CNTs 质量分数的增加,CNTs/Cu 复合材料硬度逐渐升高,导电率逐渐降低,电弧侵蚀后复合材料质量损耗逐渐增加。当 CNTs 质量分数为 0.8%时,CNTs/Cu复合材料的燃弧时间和燃弧能量最低,稳定性最好。  3. 混杂增强相总含量一定的条件下,不同质量配比的 TiB2颗粒和 CNTs 混杂增强铜基复合材料的导电率基本相同,硬度则随 TiB2 颗粒含量增加而升高。混杂增强铜基复合材料的燃弧时间和燃弧能量均低于单一 TiB2 颗粒和 CNTs 增强铜基复合材料。当CNTs质量分数为0.6%时,TiB2颗粒和CNTs混杂增强铜基复合材料的耐电蚀性能最优。耐电蚀机理分析表明:TiB2 颗粒有助于降低材料损耗,减小材料表面侵蚀坑;混杂的 CNTs 则能降低复合材料的燃弧时间和燃弧能量,提高材料的稳定性。
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