在开关电器中,电接触材料直接承担着分段和接通电路、承载正常工作电流或在一定时间内承载过载电流的功能。各种电器的关键功能如配电电器的通断能力、继电器的可靠性等都取决于电接触材料质量和工作性能的优劣。目前低压电器中应用最广泛的是银基电接触复合材料,但银价格昂贵,成本较高。铜具有良好的导电和导热性能,但铜的硬度和熔点较低,电蚀和熔焊倾向较严重,且铜表面极易形成氧化膜,严重影响材料的导电性能。因此本论文尝试采用粉末冶金法,通过添加不同组元,制备一种新型的低压电器用铜基电接触复合材料,用以提高铜基电接触材料的力学性能、抗氧化性、抗电弧侵蚀和抗熔焊性能,替代银基材料达到降低成本、节约贵金属银的目的。论文首先探讨了添加相物理性能和组织结构与复合材料电接触性能之间的关系,并优化了材料成分设计原则。研究发现在材料组元性能要求方面低熔点组元的熔点越低,蒸发和汽化潜热越大,越有利于材料的抗熔焊性能；高硬度、高熔点组元应尽量选择材料本身比热、熔点、熔化潜热、沸点、汽化潜热、升华温度等物理特性较高的添加相,利于材料保持稳定状态；在不影响材料综合性能的前提下,添加相体积分数越大、粒径越小、形貌越复杂,粘度越大,金属与添加相粒子间的结合力越大、润湿性越好,复合材料粘度越大,越有利于提高材料的电接触性能。论文根据低熔点组元对物理性质的要求,分别选择了Sn、Bi、Sb、Zn等几种低熔点组元,并探讨了其对复合材料综合性能的影响。试验结果表明添加2wt%的Bi能够有效提高材料的抗电弧侵蚀性能和抗氧化性,且材料的导电性能满足电接触材料的要求。论文对添加Bi的铜基电接触材料熔焊区域的热传导进行了有限元仿真模拟,研究发现材料中添加Bi后,熔焊区域的温度更容易向外传导,从而缓解高温区域的高温压力。论文最终确定低熔点组元添加相为Bi,最佳加入量为2wt%。论文选择Fe3Al、TiAl作为硬质添加相,探讨了不同组元对铜基电接触材料力学性能、导电性能和抗熔焊性能的影响。试验结果表明添加适量的Fe3Al,其在基体中的均匀分布能够通过弥散强化作用有效提高材料的力学性能；同时Fe3Al在工作升温过程中,Al能够优先氧化在基体中形成一层致密的A1203,从而阻碍氧原子在基体的进一步扩散,提高材料的抗氧化性；Fe3Al本身具有良好的导电性能,其在增强复合材料力学性能和抗氧化性的同时,较好的保证了材料的导电性能,论文建立了Fe3Al加入量与材料抗氧化性和导电性能的数学关系式,并最终确定高硬度、高熔点组元的最佳添加相为Fe3Al,最佳加入量为2wt%。论文尝试在铜基复合材料中添加纳米碳管作为增强相用以提高材料的综合性能。纳米碳管作为增强相需要解决两个问题：一是与基体结合性能较差的问题,二是纳米碳管的团聚问题。研究首先通过纳米碳管表面镀膜工艺,将纳米碳管一铜界面结合改善为金属一金属界面结合,有效增强了纳米碳管与铜基体的结合性能,并通过高能球磨工艺改善纳米碳管在基体的团聚现象。论文以正交试验为手段,讨论了纳米碳管加入量和表面处理时间对铜基电接触复合材料导电性能、力学性能和抗熔焊性能的影响,最终确定纳米碳管最佳加入量为0.1wt%、最佳高能球磨时间为8h、最佳表面处理时间为1h。研究发现通过表面镀镍和高能球磨工艺,纳米碳管添加量为0.1wt%时,其能够在基体中均匀分布并与基体有效结合,提高材料的力学性能和耐摩擦磨损性能。但当其添加量过高时,在基体中出现团聚现象,此时自由电子散射增加,材料电阻率上升,材料致密度下降。论文对纳米碳管增强铜基复合材料的影响机理进行了深入分析,并建立了数学模型σl=σf(1一lc/2l)Vf+σ(1-Vf),研究发现当纳米碳管的长径比l。/d大于60时可以起到强化基体的作用,且纳米碳管的失效主要以韧性断裂为主。在材料添加适量的纳米碳管还有利于提高材料的抗电弧侵蚀性能,论文对掺杂纳米碳管的铜基电接触材料熔焊区域进行了有限元模拟分析,分析结果发现,纳米碳管的引入使得热量更易由碳管引入的通道向外传递,从而改善材料的抗电弧侵蚀性能。铜基电接触材料不能得到实际应用的最大障碍是铜表面的易氧化问题,相关研究发现铜中添加稀土元素能够起到净化晶界、细化晶粒和提高抗氧化性的作用。论文尝试以La-Cu中间合金和La203两种不同的形式在铜中添加稀土La,并探讨其对材料综合性能尤其是抗氧化性的影响。论文首先制备了La不同含量的La-Cu中间合金粉体,并对其进行了形貌表征和成分分析。研究发现La含量为0.4wt%的La-Cu中间合金颗粒均匀,杂质较少,且La主要以La203的形式均匀分布在铜基体表面。研究决定选择La为0.4wt%的La-Cu中间合金作为添加相。论文深入探讨了不同含量的La-Cu中间合金和La203对材料综合性能的影响。研究发现添加适量的稀土-铜中间合金和La203能够有效提高材料的力学性能和抗电弧侵蚀性能,加入量过高时,材料的导电性能有所下降。试验深入探讨了稀土不同添加相对材料抗氧化性的影响,研究发现在600℃以下La-Cu中间合金的适量加入对铜基复合材料的氧化抑制作用最为明显,在800℃高温氧化状态下,La203对铜基复合材料的氧化抑制作用更优。论文深入分析了La203提高铜基电接触材料的抗氧化机理,并建立了添加La203第二相粒子的铜基复合材料表面平均扩散的表达式为：J=(?),通过计算获得扩散通量与氧化温度和氧化时间的关系,研究发现La203以其独特的结构和物理性能,在复合材料氧化初期能够促使材料基体在其表面生成一层致密的氧化膜,从而有效抑制了铜基材料表面氧化的进一步恶化。论文探讨了放电等离子烧结工艺对材料性能的影响,并对其影响机理进行了分析。论文首先探讨了放电等离子烧结工艺参数：初始压力、保压压力和烧结温度对材料性能的影响。研究发现初始压力越低,材料的致密度和导电性能越高,并确定SPS工艺最佳初始压力为5MPa；保压压力与材料的致密度和导电率成正比关系,最佳保压压力为50MPa；试样的致密度和导电性能随着烧结温度的增加出现先增加后减小的趋势,其主要原因是过高的烧结温度导致晶粒长大,孔隙增多,从而影响材料的综合性能,研究确定SPS工艺最佳烧结温度为500℃。实验在确定放电等离子烧结最佳工艺参数的前提下,对比研究了普通烧结和SPS烧结对材料性能的影响。研究发现SPS烧结工艺能在较短的烧结时间(几分钟)和较低的烧结温度下(500℃),依靠脉冲电流作用有效的细化晶粒,净化晶界,在不同程度上提高材料的致密度、硬度及导电性能。