ZTO/Ag电触头材料的设计与制备

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在低压接触器中,MeO/Ag电触头具有广泛应用,其中CdO/Ag性能优良,但其带来的镉污染问题使其应用受到限制;最有可能替代CdO的SnO2,却存在与Ag之间润湿性差的问题,从而造成触点发热严重及接触特性恶化等问题亟待解决。因此在SnO2主体上对其进行复合改性,所形成的锡锌三元氧化物ZTO(Zinc Tin Oxide)具有复杂的晶体结构,特殊的物理化学特性,这些本身的特性导致其能够与基体金属具有较高的结合强度,从而保证银基电触头材料在服役条件下具有较好的性能。因此,本文对锡锌氧化物作为第二相形成的ZTO/Ag电接触材料进行设计,利用第一性原理方法对ZTO/Ag界面结构及结合机理进行研究,以计算结果为依据,进行ZTO/Ag电触头制备和致密化工艺摸索,同时探讨ZTO对银基电触头服役性能的影响。对Zn2SnO4/Ag的界面结合情况探究发现,Zn2SnO4的(111)面与Ag的(111)面复合能够形成稳定性较强的界面结构,其界面分离功(4.04 J/m2)高于SnO2/Ag(2.83 J/m2)及常见二元氧化物/Ag的界面分离功(0.7~3.5 J/m2),能够形成较好的界面结合。键长计算结果表明,Zn2SnO4(111)/Ag(111)界面处形成11组Ag-O键,且Ag-O键形成稳定的四面体结构;对态密度及电荷密度计算发现Zn2SnO4/Ag界面处Ag-O之间不仅具有离子键特性,且Ag、O均提供电子表现为共价键特性,这是Zn2SnO4/Ag界面结合强度更高的原因所在。对于ZTO粉体采用两种制备方式。即共淀法制备锡酸锌,得到的前驱体为Zn4(OH)6CO3、SnO2·x H2O,对比了400~950℃温度下烧结产物的差异,且烧结温度为950℃时烧结转化率达到83%,制备的粉体颗粒均匀,尺寸在50-200 nm;得到偏锡酸锌颗粒呈球状,尺寸在100-200 nm;SnO2呈片层状,尺寸在0.2-1μm。另一种方式为球磨-固相烧结法,获得尺寸为100 nm的锡酸锌粉体。对ZTO/Ag电触头的制备过程中,对致密化工艺进行探究,确定最佳工艺:经过混粉(200r/min球磨,4 h)及初压(200 MPa)-初烧(860℃,2h)-复压(1200 MPa)-复烧(840℃烧结2 h),Zn2SnO4/Ag电触头相对密度达到97.1%以上。制备了2-15wt%含量的ZTO/Ag电触头,且偏锡酸锌可能在这个过程中发生分解反应;而锡酸锌成分稳定,第二相能够均匀弥散分布在银基体中无明显孔隙。热挤压-冷轧之后电触头的硬度达到79.3 HV,退火则导致硬度降低,且硬度与电触头的致密度呈一定的正相关性。电弧烧蚀实验中,与商用SnO2/Ag电触头对比,本文制备Zn2SnO4/Ag电触头更具有优势,证明了锡酸锌与银之间良好的润湿性。
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