納米Al2O3－Cu基電觸頭材料的制備及性能

趙文杰，王俊勃，江 燕，劉松濤，王彥龍，吳沙沙

（西安工程大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西西安 710048）

納米Al2O3－Cu基電觸頭材料的制備及性能

趙文杰，王俊勃，江 燕，劉松濤，王彥龍，吳沙沙

（西安工程大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西西安 710048）

結(jié)合化學(xué)沉淀和高能球磨方法制備納米Al2O3－Cu基電觸頭材料.通過掃描電子顯微鏡（SEM）分析電觸頭材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，使用金屬電導(dǎo)率儀和顯微硬度計測試Al2O3－Cu基電觸頭材料的物理性能，并分析納米Al2O3含量和燒結(jié)溫度對Al2O3－Cu基電觸頭材料物理性能的影響.結(jié)果表明，納米Al2O3增強了與Cu基體的結(jié)合能力，納米Al2O3－Cu基電觸頭材料的相對密度達到91.7%，電導(dǎo)率和硬度分別為71.0%IACS和142.3HV，電觸頭材料組織分散均勻，具有良好的導(dǎo)電性能和較高的硬度.

納米Al2O3－Cu基電觸頭材料；化學(xué)沉淀；高能球磨

0 引 言

電觸頭是應(yīng)用于高壓開關(guān)電器中的主要電器元件，起到接通、分?jǐn)嗪瓦B續(xù)載流的作用，電觸頭材料的性能關(guān)乎到開關(guān)電器的工作性能以及電器設(shè)備的安全可靠性［1］.隨著中高壓電器的發(fā)展以及電子產(chǎn)業(yè)水平的提高，工業(yè)對電觸頭材料的性能提出了新的要求［2］.目前低壓電器電觸頭材料大多采用純銀或者銀基氧化物［35］，但銀的成本高，而且在服役過程中由于電火花的燒蝕容易消耗［6］，所以電觸頭材料逐漸向節(jié)銀方向發(fā)展.銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗腐蝕性能，且價格較低，目前逐漸成為替代銀的較好材料之一［7］.但銅的高溫強度差、軟化溫度低，需加入增強相改善銅的強度、抗磨損性能和高溫蠕變性能等［8］.文獻［9］采用原位氧化法增強Cu基體，但氧化物與Cu基體的密度差異引起凝固過程中顆粒之間的嚴(yán)重分離，難以控制氧化物粉體在Cu粉末中均勻擴散.

本文采用化學(xué)沉淀法和高能球磨法制備銅基電觸頭材料.以納米Al2O3顆粒作為增強相，在保持銅基體原有的韌性和高導(dǎo)電性的同時，有效提高電觸頭材料的強度.

1 制 備

1.1 納米Al2O3粉體制備

（1）原料 （NH4）2CO3（0.3mol／L）、Al（NO3）3（0.1mol／L）、聚乙二醇－2000.

（2）制備過程 （NH4）2CO3與Al（NO3）3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成前驅(qū)體凝膠液，經(jīng)抽濾洗滌，得到氫氧化鋁凝膠，干燥后加入無水乙醇進行研磨，最后經(jīng)高溫焙燒得到納米氧化鋁粉體.發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

1.2 納米Al2O3－Cu基電觸頭材料制備

利用球磨機轉(zhuǎn)動和振動，借助硬球?qū)尤霟o水乙醇（99.7%）的電解Cu粉（200目，純度99.5%）和納米Al2O3粉體進行強烈的撞擊、研磨、攪拌，將納米Al2O3粉體和Cu粉末粉碎為納米級微粒，得到納米Al2O3－Cu混合粉末，稱取一定量的混粉置于直徑為10mm模具中雙向壓制成塊，壓塊放入N2保護氣氛爐中950℃燒結(jié)3.5h，得到Al2O3－Cu基電觸頭材料一次燒結(jié)體.通過復(fù)壓成型，在N2保護的氣氛爐中800℃復(fù)燒，保溫1h，得到納米Al2O3－Cu基電觸頭材料.

2 測試與討論

采用阿基米德原理，D60K數(shù)字金屬電導(dǎo)率儀，MH－3型數(shù)字顯微硬度計分別對電觸頭材料的密度、電導(dǎo)率和硬度進行測試，并使用JEM－3010型掃描電子顯微鏡觀察電觸頭材料的微觀組織形貌.

2.1 燒結(jié)溫度的影響

文獻［10］研究表明，燒結(jié)溫度高于900℃時，銅基體與其他金屬形成固溶體或者銅基金屬間化合物，銅基復(fù)合材料的物理性能有所下降.考慮到具體實驗環(huán)境的不同，本實驗在950℃以下對樣品進行燒結(jié).圖1為燒結(jié)溫度對電觸頭材料密度、電導(dǎo)率、硬度的影響.從圖1可以看出，電觸頭材料的密度、電導(dǎo)率、硬度均隨著燒結(jié)溫度的升高而增大，同時電觸頭材料經(jīng)復(fù)壓后的物理性能都有所提高，硬度增加幅度明顯.

2.2 氧化鋁含量的影響

圖2為氧化鋁含量對電觸頭材料電導(dǎo)率及硬度的影響，從圖2（a）可以看出，隨Al2O3含量的增加電導(dǎo)率先下降，然后基本穩(wěn)定，最后快速下降.這是由于Al2O3為不導(dǎo)電物質(zhì)，對電導(dǎo)率的提高呈現(xiàn)負(fù)面作用.隨著納米Al2O3含量的增加，電導(dǎo)率總體呈現(xiàn)下降的趨勢，但Al2O3含量在3%～5%時，電導(dǎo)率呈現(xiàn)出基本穩(wěn)定的勢態(tài).圖2（b）中，隨著Al2O3含量的增加硬度也隨之增大，這是由于納米Al2O3對Cu基體具有彌散強化的作用.隨著納米Al2O3含量增加，納米Al2O3嵌入Cu基體就越多，納米Al2O3阻礙了Cu基體晶粒中的位錯運動，導(dǎo)致位錯阻力增大，從而強化了Cu基體，使電觸頭材料硬度得到提高.

2.3 Al2O3－Cu基電觸頭材料性能

結(jié)合燒結(jié)溫度和Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對電觸頭材料性能的影響，選取制備樣品最優(yōu)參數(shù)為納米Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%和5%，950℃燒結(jié)，對電觸頭材料的性能進行測試，結(jié)果見表1.

圖1 燒結(jié)溫度對Al2O3－Cu基觸頭材料物理性能的影響Fig.1Effect of sintering temperature on physical properties of the Al2O3－Cu based electrical contact material

圖2 Al2O3含量對AL2O3－Cu基電觸頭材料物理性能的影響Fig.2Effect of Al2O2content on physical properties of Al2O3－Cu based electrical contact materials

表1 電觸頭材料復(fù)壓及二次燒結(jié)后的性能Table 1 Physical properties of electrical contact materials after repressing and resintering

當(dāng)Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%和5%時，電觸頭材料的密度基本一致，且都小于理論密度.但質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%含量時樣品的相對密度大于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的，且其硬度也較大，達到142.3HV.質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時的電導(dǎo)率高于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，達到71.0%IACS.銅良好的導(dǎo)電性能提高了電觸頭材料的電導(dǎo)率，Al2O3顆粒的彌散強化作用增強了Al2O3－Cu基電觸頭材料的硬度，最后加上復(fù)壓及二次燒結(jié)提高了Al2O3－Cu基電觸頭材料的密度和硬度，從而提高了電觸頭材料的物理性能.

2.4 Al2O3－Cu基電觸頭材料的微觀形貌

圖3為5%納米Al2O3－Cu粉末干磨和濕磨后的SEM圖.從圖3（a）看出，干磨后粉末為塊狀顆粒，顆粒尺寸大約為5～30μm，比之前Cu粉（≤74μm）的尺寸小，可見干磨起到細(xì)化作用；小顆?；救诤显谝黄?，形成塊狀顆粒.從圖3（b）看到濕磨后的粉末呈薄片狀，片狀的長度大約為10～30μm，也比之前尺寸小，濕磨同樣起到細(xì)化作用，且片狀物是由許多均勻的顆粒組成的，因此制備Al2O3－Cu粉體無論是干磨還是濕磨，均能使納米Al2O3－Cu粉末達到細(xì)化的作用，干磨后粉末呈現(xiàn)塊狀而濕磨后粉末呈現(xiàn)片狀.但干磨時容易使銅粉產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，濕磨的粉末顆粒分散比較均勻，因此采用濕磨方式進行混粉更好.本文采取濕磨混粉的方法制備Al2O3－Cu基電觸頭材料，并對電觸頭材料的微觀組織形貌（圖3）進行了觀察.

圖4為未燒結(jié)電觸頭材料和二次燒結(jié)后電觸頭材料表面微觀組織形貌圖.從圖4（a）可以看出，未燒結(jié)試樣的表面存在很多的縫隙.二次燒結(jié)后的試樣表面則相對平滑，具有較少的裂縫，如圖4（b）所示.說明電觸頭材料經(jīng)二次燒結(jié)后，材料的致密度性變好，這是使樣品密度增加的原因.

圖3 5%納米Al2O3－Cu粉末干磨和濕磨的SEM圖Fig.3SEM morphology of the 5%Alumina－Copper powder after dry and wet milling

圖4 未燒結(jié)和二次燒結(jié)后的電觸頭材料表面微觀組織圖Fig.4The SEM of the surface of the unsintered and resintered electrical contact materials

從圖4可以看出二次燒結(jié)后電觸頭材料的表面出現(xiàn)一些黑色斑點，因此對其進行了微區(qū)能譜分析（見圖5）.通過點能譜分析得出黑色斑點的主要元素為Cu、O、Al，并無其他雜質(zhì)，說明Al2O3－Cu基電觸頭材料組織混合均勻，考慮到電觸頭材料的主要原料為Cu和Al2O3，認(rèn)為黑色斑點為Al2O3分散到Cu基體中形成的.

3 結(jié) 論

圖5 納米Al2O3－Cu基電觸頭材料的表面微區(qū)能譜分析圖Fig.5The spectrum diagram surface of nano Al2O3－Cu based electrical contact materials in micro area

（1）結(jié)合化學(xué)沉淀法和高能球磨法制備的納米Al2O3－Cu基電觸頭材料，其電導(dǎo)率隨Al2O3含量的增加而減小，硬度隨Al2O3含量的增加而增大，綜合分析電觸頭材料制備最優(yōu)參數(shù)為納米Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～5%時具有較好的電導(dǎo)率和硬度.

（2）隨著燒結(jié)溫度的升高，納米Al2O3－Cu基電觸頭材料的物理性能均增大，但溫度過高，導(dǎo)致Cu基復(fù)合材料之間形成金屬間混合物，Al2O3－Cu基電觸頭材料的電導(dǎo)率下降趨勢明顯，降低其物理性能，故燒結(jié)溫度不超過950℃.

（3）經(jīng)復(fù)壓和復(fù)燒電觸頭材料的性能均有所提高，材料的密度、電導(dǎo)率、硬度分別達到7.71g／cm3，71.0%IACS，142.3HV，基本滿足現(xiàn)代工業(yè)電器行業(yè)對電觸頭材料的要求.

（4）經(jīng)過復(fù)壓及二次燒結(jié)的納米Al2O3－Cu基電觸頭材料，相對于處理前的電觸頭材料，致密度有所提高，無明顯缺陷，其組織結(jié)構(gòu)得到顯著改善.

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編輯：田 莉；校對：武 暉

Preparation and properties of Nano－Al2O3－Cu based electrical contact materials

ZHAO Wenjie，WANG Junbo，JIANG Yan，LIU Songtao，WANG Yanlong，WU Shasha

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Xi′an Polytechnic University，Xi′an 710048，China）

Nano－Al2O3－Cu based electrical contact material were prepared with high energy ball milling method and chemical precipitation.The microstructure of electrical contact materials was observed by scanning electron microscopy（SEM），the physical properties of Al2O3－Cu based electrical contact materials were tested by metal electrical conductivity and microhardness，and the influence of nano Al2O3content and sintered temperature on the physical properties of electrical contact materials was analyzed.The results show that nano Al2O3enhances the binding ability with Cu base；the relative density of nano－Al2O3－Cu based electrical contact materials reaches 91.7%；electrical conductivity and hardness are 71.0%IACS and 142.3HV；electrical contact material organization uniform dispersion has good conductivity and high hardness.

nanometer Al2O3－Cu based electrical contact material；chemical deposition method；high energy ball milling

TG 146.1

A

1674－649X（2015）05－0573－05

10.13338／j.issn.1674－649x.2015.05.010

2015－03－23

陜西省教育廳專項科研計劃項目（14JK1312）；西安工程大學(xué)博士基金資助項目（BS13015）

王俊勃（1966—），男，山東省濰坊市人，西安工程大學(xué)教授，研究方向為納米材料.E－mail：wangjunbo＠xpu.edu.cn