W-Cu復(fù)合材料在不同電壓下的電弧燒蝕性能研究*

倪子楓，鳳 儀，趙 浩，周子玨，錢 剛，張競成

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 分析測試中心，合肥 230009))

0 引 言

開關(guān)作為電路的關(guān)鍵部位，它承載著電路接通，斷開的重要作用。在高壓斷路器中[1-2]，開關(guān)部位的閉合斷開會(huì)產(chǎn)生電弧，嚴(yán)重腐蝕電極材料，導(dǎo)致事故的發(fā)生，這就要求觸頭材料具備優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、硬度、耐燒蝕等性能。W-Cu復(fù)合材料是由W和Cu復(fù)合而成的一種既不相溶也不反應(yīng)的“假合金”，它同時(shí)具備W、Cu各自的特性，有著W的高熔點(diǎn)，低熱膨脹系數(shù)以及Cu良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱等性能，因此，W-Cu復(fù)合材料在電接觸材料等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

近些年來W-Cu復(fù)合材料的制備方法、性能與應(yīng)用均受到廣泛的研究[3-5]。Dai等[6]在Cu顆粒上生長石墨烯，并通過化學(xué)氣相沉積(CVD)法制得W-Cu復(fù)合材料，

探究其機(jī)械性能及導(dǎo)電導(dǎo)熱性能；Tian等[7]利用熱壓燒結(jié)法制備出不同層數(shù)的W-Cu功能梯度材料，并對其微觀形貌及性能進(jìn)行觀察與測試；文獻(xiàn)[8-9]中發(fā)現(xiàn)采用以Cu包覆W粉模式制備的W-Cu復(fù)合材料，其致密化程度，物理性能較為優(yōu)異。但W-Cu復(fù)合材料在不同電壓下的電弧燒蝕性能研究還未見相關(guān)報(bào)道。

化學(xué)鍍Cu是一種水溶液自催化氧化還原反應(yīng)[7]，無需外加電極與其他儀器，利用氧化還原反應(yīng)即可制得組織均勻的高純度復(fù)合粉末[10]，化學(xué)鍍使W與Cu緊密結(jié)合，提高了W-Cu復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度與致密度。本文利用化學(xué)鍍的方法制得包覆完整的W-Cu復(fù)合粉末，隨后采用熱壓燒結(jié)法制得分布均勻、界面結(jié)合良好的W-Cu復(fù)合材料。在2、4、6和8 kV不同電壓下對W-Cu復(fù)合材料進(jìn)行電弧燒蝕實(shí)驗(yàn)，觀察W-Cu復(fù)合材料在不同的電壓下所產(chǎn)生的燒蝕形貌變化并分析燒蝕機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 化學(xué)鍍Cu實(shí)驗(yàn)

將原始W粉(≥99.9%)放入強(qiáng)酸混合液(硝酸，氫氟酸)中進(jìn)行酸化處理，再將處理后的W粉放入燒杯中，加入蒸餾水、絡(luò)合劑乙二胺四乙酸二鈉(EDTA 30-50g/L)以及穩(wěn)定劑2-2聯(lián)吡啶(C10H8N2)，隨后將燒杯放入恒溫水浴鍋中，緩慢加熱至55-65℃，逐滴加入還原劑甲醛(HCHO 15-25g/L)，并添加氫氧化鈉(NaOH)使其pH值保持在11-13之間，用玻璃棒均勻攪拌?；瘜W(xué)鍍時(shí)發(fā)生的反應(yīng)如下：

Cu2++2CHOH-+4OH-→Cu↓+2CHOO-+H2↑+2H2O

(1)

化學(xué)鍍結(jié)束后用蒸餾水沖洗粉末2-3遍，后加入少量的無水乙醇溶液，放入恒溫箱中，在120℃下干燥3h，得到W-Cu復(fù)合粉末。我們對化學(xué)鍍Cu前后的粉末進(jìn)行粒度分布對比，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)圖像成正態(tài)分布，說明粉末大小均勻。在鍍液中，酸化后的W粉表面粗糙，布滿微孔、凹槽等缺陷。在還原劑甲醛的作用下，游離在鍍液中的Cu2+被還原成Cu粉，均勻包覆住W基體。因?yàn)镃u層的包覆作用，原始W粉粒徑增大。

圖1 原始W粉與W鍍銅粉末的粒度分布：(a)為原始W粉，(b)為W鍍Cu粉末

圖2(a)是掃描電子顯微鏡下的原始W粉狀態(tài)，從圖中可見晶體大小均勻，表面光滑平整。圖2(b)是化學(xué)鍍Cu后粉末的微觀形態(tài)，可以很清楚的觀察到，W粉化學(xué)鍍后粒徑增大，表面也由光滑變得粗糙，Cu粉完整鍍覆在W粉上，達(dá)到了化學(xué)鍍的理想效果。

圖2 原始W粉和化學(xué)鍍銅后的粉末表面形貌(a)原始W粉(b)W鍍Cu粉末

1.2 W-Cu復(fù)合材料的制造

將化學(xué)鍍后的W-Cu復(fù)合粉末置于石墨模具中，放入真空熱壓燒結(jié)爐中，通入保護(hù)氣氛氬氣，在30 MPa壓力下以10 ℃/min速率加熱到1 050 ℃，并保溫1h，然后隨爐冷卻。燒結(jié)完成后將試樣從石墨模具中取出，打磨后拋光，直至表面光滑無劃痕，最后放入酒精中超聲30 min，以確保試樣表面無雜質(zhì)殘留。圖3是制備的W-Cu30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的復(fù)合材料金相圖，其中淺色的是W組織，深色的是Cu組織，可以看出W與Cu表面結(jié)合緊密，W在Cu中均勻分布，Cu也形成了連續(xù)完整的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，沒有偏聚現(xiàn)象發(fā)生。

圖3 W-Cu復(fù)合材料金相組織圖

表1是制備的W-Cu復(fù)合材料的物理性能，分別采用阿基米德法測量致密度，顯微維氏硬度計(jì)測量硬度，雙臂電橋法測量電導(dǎo)率，得到的性能如下:

表1 W-Cu復(fù)合材料物理性能

1.3 電弧燒蝕實(shí)驗(yàn)

圖4為電弧燒蝕設(shè)備示意圖，本實(shí)驗(yàn)中W棒作為陽極，W-Cu復(fù)合材料作為陰極，隨后利用穩(wěn)壓電源在電極兩端分別加以2、4、6和8 kV的電壓。實(shí)驗(yàn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)控制陰極以0.2 mm/min的速度緩慢向陽極移動(dòng)，直至發(fā)生電弧放電。示波器(ADS1102CAL)記錄電弧的放電時(shí)間，擊穿電壓電流，放電距離等信息。

圖4 電弧燒蝕實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

2 結(jié)果與討論

2.1 電壓對W-Cu復(fù)合材料燒蝕性能影響

圖5是不同電壓下的電流與時(shí)間曲線，說明了從起弧，電弧穩(wěn)定燃燒，電弧熄滅的一系列過程。從圖5觀察到電流突然增至最大值，隨后電流下降直至消失，其最大值稱為擊穿電流。電弧燒蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，電極相互靠近根據(jù)公式[11]：

圖5 W-Cu復(fù)合材料在不同電壓下的時(shí)間電流曲線(a)2 kV(b)4 kV(c)6 kV(d)8 kV

(2)

E、U、d分別代表擊穿強(qiáng)度，擊穿電壓，放電時(shí)電極之間距離。隨著距離的縮短，電場強(qiáng)度持續(xù)增加直至某一極限位置時(shí)產(chǎn)生電弧[12-15]，電離空氣產(chǎn)生離子，正離子與電子分別向陰極，陽極運(yùn)動(dòng)，金屬離子蒸汽離子共同維持燃燒，當(dāng)離子濃度不足以維持燃燒的時(shí)候電弧熄滅。這個(gè)過程中，電弧從產(chǎn)生至熄滅的時(shí)間稱為燃弧時(shí)間。根據(jù)表2可以發(fā)現(xiàn)，電壓越大，擊穿電流越大，放電時(shí)電極距離越遠(yuǎn)，擊穿強(qiáng)度越低，燃弧時(shí)間越長。根據(jù)公式：

表2 外加電壓對W-Cu復(fù)合材料擊穿電流、放電距離、擊穿強(qiáng)度、燃弧時(shí)間的影響

W=UIt

(3)

W代表電弧能量，U，I，t分別代表擊穿電壓，擊穿電流以及燃弧時(shí)間。擊穿強(qiáng)度代表了放電的難易程度[16]，電壓升高，電弧能量增大，材料更容易受到電弧影響，擊穿強(qiáng)度減小。電壓升高，高電壓匯集了更高的能量，空氣越容易被電離，電離出的離子濃度也越高[17-18]，所以發(fā)生放電時(shí)陰陽極之間距離也越大，燃弧時(shí)間也延長。

2.2 燒蝕區(qū)域的表面形貌表征及燒蝕機(jī)理分析

圖6是W-Cu復(fù)合材料在2、4、6和8 kV電壓下的燒蝕區(qū)域形貌圖。發(fā)現(xiàn)隨著電壓的升高，燒蝕區(qū)域以及燒蝕影響范圍變大。

圖7為W-Cu復(fù)合材料在2、4、6和8 kV電壓下的燒蝕區(qū)域三維形貌圖，發(fā)現(xiàn)燒蝕面積隨著負(fù)載電壓的增加而增加，這與圖6的結(jié)果一致。如圖7(a)(b)所示，2、4 kV時(shí)燒蝕區(qū)域呈圓形增長，形成圈層，熔化和噴射的區(qū)域均集中在燒蝕區(qū)域中心。如圖7(c)(d)所示，6、8 kV時(shí)燒蝕區(qū)域變的不規(guī)則，表面形成更多分散的飛濺粒子。圖中的顏色刻度用于表示試樣的高度，紅色代表凸起。紅色區(qū)域逐漸變大，意味著在更高的負(fù)載電壓下，燒蝕試 樣表面會(huì)形成更多的凸起2、4、6和8 kV的表面凸起的最高點(diǎn)分別72.56、75.52、83.08、88.53 μm，可見表面凸起的最高點(diǎn)也隨著電壓的增高而增高。

圖6 W-Cu復(fù)合材料在不同電壓下的燒蝕區(qū)域形貌圖像(a)2 kV(b)4 kV(c)6 kV(d)8 kV

圖7 W-Cu復(fù)合材料在不同電壓下的燒蝕區(qū)域三維形貌圖(a)2 kV(b)4 kV(c)6 kV(d)8 kV

圖8是W-Cu復(fù)合材料在2、4、6和8 kV電壓下的燒蝕區(qū)域微觀形貌圖。圖8(a)(b)中可見，2、4 kV燒蝕下試樣表面燒蝕程度較輕，只產(chǎn)生一些微小的孔洞與凸起。而圖8(c)(d)中，6、8 kV燒蝕下試樣燒蝕中心變化明顯，凹凸不平起伏十分嚴(yán)重，且燒蝕坑深度也是明顯加深。圖8(e)(f)能譜可以觀察到，圖8(a-d)中逐漸增多的顆粒狀物質(zhì)是W。在高溫電弧的作用下，放電在材料表面發(fā)生，W基體耐壓，Cu的功函數(shù)較低[19]，所以電弧優(yōu)先作用在Cu相上，熔沸點(diǎn)較低的Cu化為液體甚至是氣體。隨著電壓的升高，電弧所蘊(yùn)含的能量增大，材料表面被侵蝕的更嚴(yán)重，Cu相的氧化與液化也更加劇烈，燒蝕中心區(qū)域的Cu也被濺射出去，保留在表面的W基體也越來越多，形成了凹凸不平的“火山口”形貌。

圖8 W-Cu復(fù)合材料在不同電壓下的燒蝕區(qū)域微觀形貌圖(a)2 kV(b)4 kV(c)6 kV(d)8 kV(e-f)目標(biāo)區(qū)域的能譜圖

為了探究整體元素分布情況，我們對燒蝕區(qū)域進(jìn)行面掃描。面掃描結(jié)果如圖9(b-c)所示，紅色的是Cu元素，綠色的是W元素。結(jié)果表明，Cu密集的分布在燒蝕區(qū)域外側(cè)，W基體則是分散均勻。實(shí)驗(yàn)時(shí)高溫電弧作用于材料表面，引起Cu的融化，形成熔池，如圖10所示。在重力、電磁力等作用力的影響下，熔融的Cu向燒蝕區(qū)域外側(cè)噴濺[20]，隨后電弧快速熄滅，熔池凝固，最終在燒蝕區(qū)域外側(cè)形成了一條如圖12(d)所示的由凝固的Cu構(gòu)成的分界帶。

圖9 W-Cu復(fù)合材料的(a)燒蝕中心圖像(b)Cu元素分布(c)W元素分布

圖10 熔池形成的示意圖

為了探究W,Cu是否被氧化，我們用拉曼光譜對燒蝕區(qū)域進(jìn)行檢測，CuO的峰值存在于187、300、625和835 cm-1處，圖11(a-d)中各處的峰值均對應(yīng)CuO(R060978)，說明了在不同電壓下，燒蝕區(qū)域的Cu均被氧化。

圖11 不同電壓下W-Cu復(fù)合材料燒蝕表面拉曼光譜圖(a)2 kV(b)4 kV(c)6 kV(d)8 kV

圖12(a)是燒蝕區(qū)域的液滴形貌圖，對液滴上一區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)掃描分析，結(jié)果如圖12(c)所示。發(fā)現(xiàn)液滴是由Cu與O組成，這是因?yàn)闊g實(shí)驗(yàn)在空氣中進(jìn)行，Cu與O反應(yīng)生成CuO。本實(shí)驗(yàn)中，電弧能量在8 kV電壓時(shí)最高，燒蝕區(qū)域受到最嚴(yán)重的破壞，電弧熄滅后熔池迅速冷卻，凝固時(shí)形成熱應(yīng)力，導(dǎo)致圖12(b)所示微裂紋的產(chǎn)生。

圖12 W-Cu復(fù)合材料在(a)8 kV電壓下的液滴形貌(b)8 kV下的微裂紋形貌(c)目標(biāo)區(qū)域能譜圖像(d)8 kV下的燒蝕邊界區(qū)域

3 結(jié) 論

(1)利用化學(xué)鍍技術(shù)在W表面完整鍍覆Cu，隨后采用熱壓燒結(jié)法制得具有優(yōu)良性能的W-30Cu復(fù)合材料，相對密度為95.2%，維氏硬度為178.6 N/mm2，電導(dǎo)率為61.4%IACS。

(2)在燒蝕實(shí)驗(yàn)中，電壓增大，擊穿電流增大，放電距離縮小，燃弧時(shí)間增長，擊穿強(qiáng)度降低。燒蝕面積及影響區(qū)域增大，表面凸起高度增加。材料燒蝕中心腐蝕的最嚴(yán)重，材料表面燒蝕后凹凸不平形成“火山口”狀。

(3)不同電壓下，燒蝕區(qū)域中均出現(xiàn)Cu的融化與飛濺，形成液滴，并向外濺射。銅在燒蝕區(qū)域的外側(cè)形成圈層和凸起，W因?yàn)槟透邏簞t較少受到電弧影響。2、4、6和8 kV電壓下材料表面燒蝕區(qū)均發(fā)現(xiàn)CuO，燒蝕過程中有氧化反應(yīng)的發(fā)生。