專利名稱：一種TCO/Cu電接觸材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電接觸材料。
背景技術(shù)：
眾所周知，大多數(shù)低壓電器用電接觸材料都是貴金屬，特別是銀基合金或復(fù)合材料材料。盡管銀基材料可保證電接觸元件的良好服役特性和電器的可靠工作，卻導(dǎo)致了稀貴金屬的大量消耗。與銀相比，銅作為電接觸材料最大的問題在于其易于氧化，且生成的氧化膜不導(dǎo)電。因此，以銅作為電接觸材料基體時，必須要解決其在存儲和服役過程中的氧化問題。目 前研究結(jié)果認為，添加稀土元素(La、Ce、Y等)和微量(Zr、Te、In、Hf、Bi、Cd等)元素合金化能夠有效控制銅的氧化膜生長速度。但在低壓電器接通和分斷時，電弧和焦耳熱的作用仍然會是銅觸頭表面發(fā)生熔化和氧化，使其接觸特性惡化。所以，如何有效控制銅觸頭工作層(表面氧化及電弧燒蝕形成的膜層)接觸特性成為TCO/Cu電接觸材料設(shè)計的關(guān)鍵性問題?；陔娊佑|理論和參照銀基電接觸材料設(shè)計原則，目前低壓電器上使用的銅基材料大都在基體合金化的基礎(chǔ)上，通過的第二相添加構(gòu)成耐燒蝕骨架和保證其表層接觸特性。較早用于低壓開關(guān)的Cu-C(石墨、金剛石等，近幾年也有人提出石墨烯、碳納米管等)觸頭是利用石墨的高導(dǎo)電性提高了銅觸頭的接觸導(dǎo)通能力，同時起到了抗熔焊作用，使其具有極高的通斷能力。但由于石墨與基體之間潤濕性較差，在熱-力循環(huán)載荷作用下裂紋易于快速擴展，造成早期失效，因而Cu-C(石墨)觸頭電壽命較低。在Cu-C(金剛石)系列觸頭材料的基礎(chǔ)上添加金屬相(Nb、V、W、Ta、Mo)，主要利用這些金屬不易氧化，且其低價氧化物具有良好導(dǎo)電性的特點，保證材料表面工作層具有較高的轉(zhuǎn)換穩(wěn)定性和抗腐蝕特性，使之在一些電器上得到了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。但由于上述添加的金屬在長期服役時表面金屬氧化物會與水蒸氣反應(yīng)形成鎢酸銅類絕緣產(chǎn)物，使觸頭失去接觸轉(zhuǎn)換功能?？傊?，目前這種設(shè)計思想所開發(fā)出的觸頭材料，由于接觸電阻高、與基體潤濕性差和自滅弧能力低而導(dǎo)致電接觸材料的壽命短和可靠性差的問題，已經(jīng)無法滿足接觸器類長壽命電器的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要解決現(xiàn)有電接觸材料由于接觸電阻高、與基體潤濕性差和自滅弧能力低而導(dǎo)致電器壽命短的問題，提供了一種TCO/Cu電接觸材料。本發(fā)明一種TCO/Cu電接觸材料，按質(zhì)量百分比是由4% 10%的透明導(dǎo)電氧化物A，O. 004 % O. 01 %的鑭，O. I % O. 2 %的鋯和余量的銅制成，或者是按質(zhì)量百分比由6% 15%的透明導(dǎo)電氧化物B，O. 005% O. 01%的鑭，O. 2% O. 3%的鋯和余量的銅制成；其中透明導(dǎo)電氧化物A為鋁摻雜氧化鋅、鎵摻雜氧化鋅、銻摻雜氧化錫或鑰摻雜氧化錫，透明導(dǎo)電氧化物B為錫酸鋅或錫酸鎘。本發(fā)明采用透明導(dǎo)電氧化物(TCO)作為第二相和基體合金化的原則進行材料設(shè)計，并通過液相原位合成共沉積及后續(xù)熱處理等方法實現(xiàn)材料制備，獲得耐電弧燒蝕性高、接觸電阻低且穩(wěn)定的TCO/Cu電接觸材料。TCO的采用可以起到提高材料接觸導(dǎo)電能力、自滅弧能力和與基體潤濕性的多重效果。(I)接觸電阻低且穩(wěn)定。研究表明，2110、51102等氧化物在純態(tài)的導(dǎo)電性很差，經(jīng)過摻雜或復(fù)合后，其導(dǎo)電性會大大提高，電阻率可以提高到10_4Qcm的量級，從而可以在觸頭表面及工作層中起到接觸導(dǎo)通的作用。由于第二相組元良好的導(dǎo)電性，即使其含量較高的情況下也不會降低材料的導(dǎo)電性，不會提高接觸電阻。同時，由于TCO不會與大氣環(huán)境介質(zhì)發(fā)生進一步反應(yīng)，從而可以保持接觸狀態(tài)的穩(wěn)定。(2)自滅弧能力提高；Sn02、Zn0等純態(tài)氧化物穩(wěn)定性很高(熔點均為2000K以上)，在服役過程中的焦耳熱和電弧的作用下不易氣化和揮發(fā)。而經(jīng)復(fù)合或摻雜后的TCO(例如SnO2 ·Μο03)在1494Κ的飽和蒸汽壓可達l(T3atm.，并生成(SnO)n ·Μο03+復(fù)合離子結(jié)構(gòu)，其在電弧作用下的生成和進一步分解都會吸收能量，使電弧陰極斑點在觸頭表面移動速度的提高，并縮短燃弧時間，從而起到自滅弧的作用，降低電磨損。(3)界面潤濕性的改善；對于Ag-MeO觸頭材料的研究表明，通過添加Bi203、TeO2, W03、MoO3等添加劑的使用極大地改善了 Ag-SnO2的接觸特性，使其應(yīng)用上了一個新的臺階。在高溫條件下，添加劑與第二相發(fā)生反應(yīng)，生成生成如Bi2Sn207、Ag2Mo04、AgSbO3等新的物相而改善了潤濕性。TCO的復(fù)合和摻雜所生成的物相 也具有上述特性，因而可以達到與基體較好的潤濕效果。由本發(fā)明的TCO/Cu電接觸材料制備的觸頭在CJ40-63接觸器AC4工作制下的壽命值為40000次，而由現(xiàn)有TCO/Cu電接觸材料制備的觸頭的壽命值僅為10000 12600次。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式的一種TCO/Cu電接觸材料，按質(zhì)量百分比是由4 % 10 %的透明導(dǎo)電氧化物A，O. 004 % O. 01 %的鑭，O. I % O. 2 %的鋯和余量的銅制成，或者是按質(zhì)量百分比由6 % 15 %的透明導(dǎo)電氧化物B，O. 005 % O. 01 %的鑭，
O.2% O. 3%的鋯和余量的銅制成；其中透明導(dǎo)電氧化物A為鋁摻雜氧化鋅、鎵摻雜氧化鋅、鋪摻雜氧化錫或鑰摻雜氧化錫，透明導(dǎo)電氧化物B為錫酸鋅或錫酸鎘。本實施方式的鋁摻雜氧化鋅中鋁的摻雜量為任意值；鎵摻雜氧化鋅中鎵的摻雜量為任意值；銻摻雜氧化錫中銻的摻雜量為任意值；鑰摻雜氧化錫中鑰的摻雜量為任意值。本實施方式采用透明導(dǎo)電氧化物(TCO)作為第二相和基體合金化的原則進行材料設(shè)計，并通過液相原位合成共沉積及后續(xù)熱處理等方法實現(xiàn)材料制備，獲得耐電弧燒蝕性高、接觸電阻低且穩(wěn)定的TCO/Cu電接觸材料。TCO的采用可以起到提高材料接觸導(dǎo)電能力、自滅弧能力和與基體潤濕性的多重效果。(I)接觸電阻低且穩(wěn)定。研究表明，ZnO、SnO2等氧化物在純態(tài)的導(dǎo)電性很差，經(jīng)過摻雜或復(fù)合后，其導(dǎo)電性會大大提高，電阻率可以提高到IO-4Qcm的量級，從而可以在觸頭表面及工作層中起到接觸導(dǎo)通的作用。由于第二相組元良好的導(dǎo)電性，即使其含量較高的情況下也不會降低材料的導(dǎo)電性，不會提高接觸電阻。同時，由于TCO不會與大氣環(huán)境介質(zhì)發(fā)生進一步反應(yīng)，從而可以保持接觸狀態(tài)的穩(wěn)定。(2)自滅弧能力提高；Sn02、Zn0等純態(tài)氧化物穩(wěn)定性很高(熔點均為2000K以上)，在服役過程中的焦耳熱和電弧的作用下不易氣化和揮發(fā)。而經(jīng)復(fù)合或摻雜后的TCO(例如SnO2 · MoO3)在1494K的飽和蒸汽壓可達l(T3atm.,并生成(SnO)n ·Μο03+復(fù)合離子結(jié)構(gòu),其在電弧作用下的生成和進一步分解都會吸收能量，使電弧陰極斑點在觸頭表面移動速度的提高，并縮短燃弧時間，從而起到自滅弧的作用，降低電磨損。(3)界面潤濕性的改善；對于Ag-MeO觸頭材料的研究表明，通過添加Bi203、TeO2, WO3> MoO3等添加劑的使用極大地改善了 Ag-SnO2的接觸特性，使其應(yīng)用上了一個新的臺階。在高溫條件下，添加劑與第二相發(fā)生反應(yīng)，生成生成如Bi2Sn207、Ag2Mo04、AgSbO3等新的物相而改善了潤濕性。TCO的復(fù)合和摻雜所生成的物相也具有上述特性，因而可以達到與基體較好的潤濕效果。由本實施方式的TCO/Cu電接觸材料制備的觸頭在CJ40-63接觸器AC4工作制下的壽命值為40000次，而由現(xiàn)有TCO/Cu電接觸材料制備的觸頭的壽命值僅為10000 12600 次。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是，TCO/Cu電接觸材料按質(zhì)量百分比是由8%的鋁摻雜氧化鋅，O. 0045%的鑭，O. 15%的鋯和余量的銅制成。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是，TCO/Cu電接觸材·料按質(zhì)量百分比是由8%的鎵摻雜氧化鋅，O. 0045%的鑭，O. 15%的鋯和余量的銅制成。其它與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是，TCO/Cu電接觸材料按質(zhì)量百分比是由8%的銻摻雜氧化錫，0. 0045%的鑭，0. 15%的鋯和余量的銅制
成。其它與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是，TCO/Cu電接觸材料按質(zhì)量百分比是由8%的鑰摻雜氧化錫，0. 0045%的鑭，0. 15%的鋯和余量的銅制成。其它與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是，TCO/Cu電接觸材料按質(zhì)量百分比是由10%的錫酸鋅，0.007%的鑭，0.25%的鋯和余量的銅制成。其它與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至六之一不同的是，TCO/Cu電接觸材料按質(zhì)量百分比是由10%的錫酸鎘，0.007%的鑭，0.25%的鋯和余量的銅制成。其它與具體實施方式
一至六之一相同。通過以下試驗驗證本發(fā)明的有益效果試驗I :本試驗分為試驗組和對照組。試驗組I的TCO/Cu電接觸材料按質(zhì)量百分比是由8%的鋁摻雜氧化鋅，0. 0045%的鑭，0. 15%的鋯和余量的銅制成；其中鋁摻雜氧化鋅中鋁的摻雜量為0. 2%。試驗組2的TCO/Cu電接觸材料按質(zhì)量百分比是由8%的鎵摻雜氧化鋅，0. 0045%的鑭，0. 15%的鋯和余量的銅制成；其中鎵摻雜氧化鋅中鎵的摻雜量為0. 05%。試驗組3的TCO/Cu電接觸材料按質(zhì)量百分比是由8%的銻摻雜氧化錫，0. 0045%的鑭，0. 15%的鋯和余量的銅制成；其中銻摻雜氧化錫中銻的摻雜量為0. 1%。試驗組4的TCO/Cu電接觸材料按質(zhì)量百分比是由8%的鑰摻雜氧化錫，0. 0045%的鑭，0. 15%的鋯和余量的銅制成；其中鑰摻雜氧化錫中鑰的摻雜量為0. 02%。試驗組5的TCO/Cu電接觸材料按質(zhì)量百分比是由10%的錫酸鋅，0. 007%的鑭，
0.25%的鋯和余量的銅制成。
試驗組6的TCO/Cu電接觸材料按質(zhì)量百分比是由10%的錫酸鎘，O. 007%的鑭，
O.25%的鋯和余量的銅制成。對照組的電接觸材料由銅-金剛石復(fù)合材料制成。試驗組的TCO/Cu電接觸材料的制備方法為將目標(biāo)金屬碎屑分別溶于硫酸，完全溶解后按照所需要比例和用量混合，然后置入銅合金粉末中，在80°C水浴條件下攪拌形成懸濁液；向懸濁液中滴入15%碳酸鈉溶液，至懸濁液pH值為7. O后靜置，得到沉淀物；、將沉淀物經(jīng)蒸餾水洗滌后進行真空干燥，在氬氣保護條件下進行煅燒，煅燒后過篩，得到混合粉末；然后冷壓成型后進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為900°C，燒結(jié)時間為3h，再進行擠壓和軋制，即得試驗組電接觸材料。對照組的電接觸材料的制備方法為將銅和金剛石粉末混合，冷壓然后進行燒結(jié)，即得對照組電接觸材料。將試驗組和對照組電接觸材料制備成觸頭件，試驗組觸頭件的性能指標(biāo)如下密度為8. 4 8. 75g/cm3 ;硬度為HB65 95 ；電阻率為2. I 2. 6 μ Ω . cm。按上述方法制備出的觸頭件與標(biāo)準(zhǔn)的觸頭標(biāo)樣在專用測試臺架上進行對比實驗，測試交流條件下的電磨損穩(wěn)定性、出現(xiàn)工作層時觸頭表面的接觸壓降。詳細數(shù)據(jù)列于表I之中。試驗條件為I = 30A，U = 380V，cos(j5 = O. 8，開/關(guān)循環(huán)次數(shù)為10000次。電壓降為30次測試的平均值。電磨損量為觸頭對上磨損量的平均值。表2中所列為表I中試驗組3的觸頭件與對照組觸頭件在直流條件下的耐燒蝕性和物質(zhì)轉(zhuǎn)移量。試驗條件為I = 100A,U = 380V，開/關(guān)循環(huán)次數(shù)為10000次，(+)表示質(zhì)量增加，(_)表示質(zhì)量減少。由表中可見，本發(fā)明試驗組的觸頭材料具有較高的耐電弧燒蝕性，工作面接觸壓降(即接觸電阻)較低，直流條件下的電物質(zhì)轉(zhuǎn)移量極低。表I交流條件下試驗組和對照組的電磨損穩(wěn)定性、出現(xiàn)工作層時觸頭表面的接觸壓降
權(quán)利要求
1.一種TCO/Cu電接觸材料，其特征在于TCO/Cu電接觸材料按質(zhì)量百分比是由4% 10%的透明導(dǎo)電氧化物A，0. 004% O. 01%的鑭，O. I % O. 2%的鋯和余量的銅制成，或者是按質(zhì)量百分比由6 % 15 %的透明導(dǎo)電氧化物B，O. 005 % O. 01 %的鑭，O. 2 % O. 3%的鋯和余量的銅制成；其中透明導(dǎo)電氧化物A為鋁摻雜氧化鋅、鎵摻雜氧化鋅、銻摻雜氧化錫或鑰摻雜氧化錫，透明導(dǎo)電氧化物B為錫酸鋅或錫酸鎘。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種TCO/Cu電接觸材料，其特征在于TCO/Cu電接觸材料按質(zhì)量百分比是由8%的鋁摻雜氧化鋅 ，O. 0045%的鑭，O. 15%的鋯和余量的銅制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種TCO/Cu電接觸材料，其特征在于TCO/Cu電接觸材料按質(zhì)量百分比是由8%的鎵摻雜氧化鋅，0. 0045%的鑭，0. 15%的鋯和余量的銅制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種TCO/Cu電接觸材料，其特征在于TCO/Cu電接觸材料按質(zhì) 量百分比是由8%的銻摻雜氧化錫，0. 0045%的鑭，0. 15%的鋯和余量的銅制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種TCO/Cu電接觸材料，其特征在于TCO/Cu電接觸材料按質(zhì)量百分比是由8%的鑰摻雜氧化錫，0. 0045%的鑭，0. 15%的鋯和余量的銅制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種TCO/Cu電接觸材料，其特征在于TCO/Cu電接觸材料按質(zhì)量百分比是由10%的錫酸鋅，0. 007%的鑭，0. 25%的鋯和余量的銅制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種TCO/Cu電接觸材料，其特征在于TCO/Cu電接觸材料按質(zhì)量百分比是由10 %的錫酸鎘，0. 007 %的鑭，0. 25 %的鋯和余量的銅制成。
全文摘要
一種TCO/Cu電接觸材料，它涉及一種電接觸材料。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有電接觸材料由于接觸電阻高、與基體潤濕性差和自滅弧能力低而導(dǎo)致電器壽命短的問題。本發(fā)明的TCO/Cu電接觸材料是由透明導(dǎo)電氧化物，鑭，鋯和銅制成。本發(fā)明中透明導(dǎo)電氧化物的采用可以起到提高材料接觸導(dǎo)電能力、自滅弧能力和與基體潤濕性的多重效果。由本發(fā)明的TCO/Cu電接觸材料制備的觸頭在CJ40-63接觸器AC4工作制下的壽命值為40000次，而由現(xiàn)有銅基電接觸材料制備的觸頭的壽命值僅為10000～12600次。本發(fā)明應(yīng)用于電工材料領(lǐng)域。
文檔編號H01H1/025GK102936668SQ20121044248
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月8日
發(fā)明者邵文柱, 甄良, 姜建堂 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)