【摘 要】
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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
【基金项目】
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国家自然科学基金项目: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.项目号:51777057；
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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。
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