摘要: 作为重要部件，触头直接影响着开关电器的可靠性以及寿命，目前，AgSnO2触头材料因其良好的抗熔焊性、耐电弧烧蚀性以及无毒无害等性能逐渐取代AgCdO，成为最具发展潜力的触头材料。但是AgSnO2触头材料同样存在缺陷，作为增强相的SnO2导电性极差，与A... 展开 作为重要部件，触头直接影响着开关电器的可靠性以及寿命，目前，AgSnO2触头材料因其良好的抗熔焊性、耐电弧烧蚀性以及无毒无害等性能逐渐取代AgCdO，成为最具发展潜力的触头材料。但是AgSnO2触头材料同样存在缺陷，作为增强相的SnO2导电性极差，与Ag之间的润湿性差，随着动作次数的增加，会在触头表面形成富集区，导致接触电阻增大、温升升高乃至性能恶化。研究表明，元素掺杂能够有效改善AgSnO2触头材料的不足。本文从理论计算与实验验证两方面入手研究金属元素(Cu)与非金属元素(F、S、N)共掺对AgSnO2触头材料性能的改善情况。采用Castep模块建立元素掺杂SnO2的晶胞模型，基于第一性原理方法从理论上计算分析共掺对SnO2性能的影响，之后采用溶胶-凝胶法制备掺杂SnO2粉末，分析其物相结构，最后采用粉末冶金工艺制备相应的掺杂AgSnO2触头，测量其润湿性、物理性能和电接触性能，并对其电弧侵蚀形貌进行分析。 第一性原理计算结果表明：所有掺杂体系的形成能均为负值，即金属元素单掺、非金属元素单掺以及金属元素与非金属元素共掺在理论上是可行的，其中Cu-N共掺体系的形成能最小，其结构最为稳定。共掺可以有效改善添加剂的溶解度，降低受主电离能和施主电离能来提高载流子浓度，同时共掺会在费米能级附近引入更多的杂质能级，窄化带隙，进一步提高SnO2的导电性能；其次共掺能够降低SnO2的硬度，改善其延展性。溶胶凝胶法所制备的掺杂SnO2粉末颗粒细小，可以达到纳米级，掺杂原子进入SnO2晶胞后形成固溶体，没有产生新的物相，因此掺杂不会改变SnO2的晶体结构。润湿性实验结果表明：掺杂Cu能显著改善SnO2和Ag之间的润湿性，将Ag/SnO2之间的界面结合方式由机械结合转变为溶解与润湿结合，有效抑制SnO2在触头表面的聚集，而非金属元素的引入并不会削弱Cu元素对润湿性的改善效果，反而有一定的增强作用，在三组共掺体系中，Cu-F共掺与Cu-N共掺对润湿性的改善效果相当，略强于Cu-S共掺。物理性能测量结果表明：共掺不仅能够改善触头的延展性，而且能够提高它的电导率。电接触实验结果表明金属元素与非金属元素共掺后能够优势互补，进一步增强AgSnO2触头的电接触性能。在三组共掺体系中，AgSnO2-Cu-N触头试样的接触电阻低而稳定，燃弧时间较短，燃弧能量和熔焊力小，表现出良好的导电性能、耐电弧侵蚀性和抗熔焊性能。综合考虑，理论分析结果与实验测量结果一致，即Cu-N共掺的改善效果较为显著。 收起