【摘 要】
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作为电器开关的重要组成部分,触头本身的性质影响着开关电器的使用寿命和可靠性。由于Ag Cd O在工作过程中会产生有毒物质而逐渐的被淘汰,作为替代材料的Ag Sn O2具有高抗熔焊性和耐电弧烧蚀,且工作过程中不会产生有毒物质,具有很好的发展前景。但Ag Sn O2触头材料也存在着一些缺陷,随着触头动作次数增加,触头表面会析出导电性较差的Sn O2,导致接触电阻变大、工作环境温度升高,进而减少触头使用
【基金项目】
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国家自然科学基金（51777057）金属掺杂对汽车继电器触头材料导电、导热行为的作用机制；
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作为电器开关的重要组成部分,触头本身的性质影响着开关电器的使用寿命和可靠性。由于Ag Cd O在工作过程中会产生有毒物质而逐渐的被淘汰,作为替代材料的Ag Sn O2具有高抗熔焊性和耐电弧烧蚀,且工作过程中不会产生有毒物质,具有很好的发展前景。但Ag Sn O2触头材料也存在着一些缺陷,随着触头动作次数增加,触头表面会析出导电性较差的Sn O2,导致接触电阻变大、工作环境温度升高,进而减少触头使用寿命,降低可靠性;另外Ag Sn O2触头材料的硬度高、脆性强,触头在工作期间产生的磨损同样会减少触头的使用寿命,为解决上述问题,本文开展了以下研究工作:首先在CASTEP模块上进行了非金属元素N、F、S掺杂Sn O2的性能仿真研究,第一性原理仿真计算结果表明:单掺杂后的Sn O2的形成能均是负值,这表明理论上非金属元素掺杂后的Sn O2是可以稳定形成的,共掺杂的系统会在费米能级附近引入更多的杂质能级,使带隙缩窄,使Sn O2的导电性提高;掺杂后的Sn O2硬度会有所降低,延展性有所提升。单掺杂N对材料改善效果明显,共掺杂N-F效果更佳。利用溶胶-凝胶法制备非金属元素N、F、S单掺杂和共掺杂的Sn O2粉末,并对粉末进行XRD实验。结果表明,无论单掺杂还是共掺杂,非金属掺杂并未改变Sn O2晶体结构,掺杂后体系仍属于四方相金红石结构。最后利用粉末冶金法制备出非金属元素N、F、S单掺杂和共掺杂Ag Sn O2触头,并测量其电导率和硬度,进行电接触实验,测量其接触电阻、燃弧能量和熔焊力。结果表明,掺杂后的触头材料韧性均有不同程度的增强,从非金属元素单掺杂的结果来看,单一元素掺杂只能提升触头材料的某一性能,N-F共掺杂触头材料接触电阻数值低且稳定,燃弧能量和熔焊力相对较小,具有良好的导电性能、耐电弧侵蚀和抗熔焊性,说明非金属元素的共掺杂对改善触头性能更有效。实验结果与仿真计算结果一致,验证了理论计算方法的可行性与正确性。
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