環(huán)保型氧化物增強銀基電接觸功能復合材料研究進展

吳新合，沈 濤，楊 輝, ，祁更新，穆成法，陳 曉

(1. 溫州宏豐電工合金股份有限公司，浙江 溫州 325603；2. 浙江大學 材料科學與工程學院，杭州 310027；3. 浙江大學 臺州研究院，浙江 臺州 318000)

電接觸材料是電氣化設備中通斷控制及負載電流的關鍵材料，其性能的好壞直接影響電器的可靠性、穩(wěn)定性和使用壽命，被稱為電器的“心臟”?；跀嗦防^電器、智能終端設備、移動終端等在生產(chǎn)服役過程中出現(xiàn)的大量技術問題持續(xù)不斷地推動電接觸學科的研究與開發(fā)，電接觸學科的開創(chuàng)者Ragnar Holm博士于1953年在賓州州立大學舉辦了為期3天的關于電接觸現(xiàn)象的講座，這個講座后來發(fā)展為每年一次的電接觸年會(即 IEEE Holm電接觸會議)。Ragnar Holm博士于 1957年出版了電接觸專著(Electrical Contacts)[1]，至此電接觸(或電接觸材料)領域應運而生。電接觸材料已有近百年的發(fā)展歷程，最初使用純銀、純金、純鉑等純金屬，1940年代開始采用 AgCd、AuAg、PdAg等合金，1960~1970年代以來發(fā)展了多元貴金屬、各種貴金屬復合，直至萬能觸點 Ag/CdO材料[2]的出現(xiàn)使得銀基電接觸功能復合材料達到了一個新的里程碑，其發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 銀基電接觸功能復合材料發(fā)展歷程 Fig.1 The evolution of silver based electrical contact materials

作為一種重要的電接觸復合材料，Ag/MeO(銀金屬氧化物)廣泛地應用于航空繼電器、汽車繼電器和低壓電器等。在Ag/MeO材料體系中，Ag/ZnO、Ag/SnO2與Ag/CuO屬于最有希望替代Ag/CdO的環(huán)保型銀基電接觸材料而被國內(nèi)外研究學者進行了大量研究。圍繞傳統(tǒng)Ag/SnO2、Ag/CuO與Ag/ZnO三種銀基電接觸材料體系，本文主要從制備技術、增強相結構改性、元素摻雜改性等層面展開分析，簡述了諸如 Zn2SnO4、LaSrCuO4、Ti2AlN、La2Sn2O7等新型銀基電接觸材料體系；對比分析了反應霧化法、機械合金化、內(nèi)氧化法、粉末冶金技術等相關制備技術的基本概念與原理；并梳理了銀基電接觸材料成分-結構設計過程中涉及的ANSYS模擬仿真、熱力學動力學計算、第一性原理等內(nèi)容。

1 Ag/MeO電接觸復合材料

1.1 Ag/SnO2體系

作為萬能觸點的Ag/CdO盡管因Cd蒸氣的毒性而被限制使用，但是它的“萬能觸點”標簽一直存在且難以替代。而最有希望替代它的材料——Ag/SnO2，在電弧侵蝕過程中SnO2顆粒相與Ag金屬相之間存在較差的浸潤性，弱化了Ag/SnO2的高溫耐燒蝕能力，降低其服役可靠性與安全性[3-4]。為此，Ag/SnO2從“成分-結構-性能”層面仍需不斷優(yōu)化改進，以期望與Ag/CdO的綜合性能相媲美。對于Ag/SnO2材料來說，在保持較好的加工性的前提下，改善觸頭材料在電弧侵蝕后的表面結構是一個重要的技術研究方向。近年來，學者們從增強相SnO2角度開展了大量研究，包括界面潤濕性、摻雜改性、表面包覆金屬化、電弧侵蝕機制、能帶結構及第一性原理計算等方面。

相關學者則從改善電弧侵蝕的層面開展了Ag/SnO2體系的大量研究，以揭示其電侵蝕失效、抗熔焊特性等電弧侵蝕失效機制。王海濤等[5]探究了 Ag/SnO2、Ag/SnO2-Bi2O3、Ag/SnO2-TiO2電接觸材料在DC 14 V條件下不同電流等級的電接觸性能測試。對比分析發(fā)現(xiàn)，Ag/SnO2-Bi2O3綜合性能表現(xiàn)更為優(yōu)異，并且在20 A的電流水平下具有最佳的整體性能。同時，浙江大學吳新合團隊[6-7]較為系統(tǒng)地研究了 Ag/SnO2-Bi2O3電接觸材料的原位反應合成法制備及其電壽命性能研究，對其批量化生產(chǎn)工藝開展了系統(tǒng)研究，為 Ag/SnO2-Bi2O3電接觸材料的生產(chǎn)應用提供相關的基礎數(shù)據(jù)支撐。周曉龍等[8]研究發(fā)現(xiàn)合金內(nèi)氧化法制備的Ag/SnO2(5)-NiO(0.5)的接觸電阻最小且最為穩(wěn)定，表現(xiàn)出較好的電接觸特性。此外，Ag基電接觸材料的增強相組分及其顆粒尺寸大小分布[9]直接關系著材料的硬度、電阻率及電接觸性能。王海濤等[10]研究發(fā)現(xiàn)當 SnO2粒度為1000和500 nm時，純Ag/SnO2與Ag/SnO2-La2O3兩種觸頭材料的硬度適中，導電率較大，接觸電阻和燃弧能量均較小且較穩(wěn)定，進而改善Ag/SnO2觸頭材料的性能。韓春陽等[11]用觸點材料電性能模擬試驗系統(tǒng)對Ag/CdO、Ag/SnO2、Ag/Ni觸點材料進行了模擬試驗，總結了所選取的試驗材料的性能表現(xiàn)，并對于觸點的失效機理進行了分析。

為進一步提升Ag/SnO2的電接觸性能，相關學者則采用雙元或多元共摻制備技術改善Ag/SnO2的物理性能及抗熔焊力等。已有學者[12-14]研究采用原位共摻Cu-N或Cu-F二元組分、稀土元素(La、Ce與Y)等技術對SnO2顆粒相進行結構改性，進而改善界面潤濕性，降低接觸電阻及熔焊力等電接觸性能。楊芳兒等[15]采用機械合金化技術將不同用量的CuO 或 Fe2O3粉摻入銀和 SnO2粉中制備Ag/SnO2(x)-MeO(y)復合粉體，并輔以熱壓成型工藝制得Ag/SnO2(x)-MeO(y)電接觸材料。Ag/SnO2(11.2)-CuO(0.8)材料的電阻率達到最低值2.35 μΩ·cm，斷后延伸率約為9.1%，比Ag/SnO2材料的延伸率提高近93.6%，綜合性能最優(yōu)。劉松濤等[16]研究了低銀(Cu，La)復合摻雜Ag/SnO2材料的制備及抗熔焊性能分析，結果發(fā)現(xiàn)銀含量(質(zhì)量分數(shù)，下同)為 82%的電接觸材料的抗熔焊性能優(yōu)于銀含量為88%的電接觸材料，且熔焊測試后氧化物在銀基體中分布均勻，未出現(xiàn)團聚。對比分析可知，采用二元共摻技術或引入微量稀土元素的改性策略為改善Ag/SnO2電接觸材料綜合性能具有重要作用。

1.2 Ag/CuO體系

Ag/CuO-NiO材料因其優(yōu)異的導電導熱、良好的加工性能而廣泛應用于熱熔斷器、電機電刷、換向器等設備。尤其，Ag/CuO因其優(yōu)異的低材料轉移、低電阻率等特性而備受關注。相關研究學者從增強相結構、制備方法、燒結工藝、擠壓形變、電弧侵蝕等方面對Ag/CuO電接觸材料的物理性能及電弧侵蝕特性進行了研究。

Wang等[17]采用化學共沉淀法合成了島狀CuOI和骨架受限型 CuOS粉體，并通過粉末冶金法制備了Ag/CuOI和Ag/CuOS電接觸復合材料，后者呈現(xiàn)平滑無弧坑的侵蝕表面，表現(xiàn)為優(yōu)異的抗電弧侵蝕能力。采用有限元分析和實驗研究了不同粒徑的CuO對Ag/CuO復合材料塑性變形過程中微觀組織演變的影響。結果表明：隨著CuO顆粒尺寸的減小，CuO顆粒團的徑向壓縮程度和軸向伸長率逐漸增加，CuO的分散性也增加。同時，CuO顆粒的形狀不斷地從多邊形轉變?yōu)槔w維狀，這使得線性纖維狀CuO的數(shù)量連續(xù)增加，而彎曲纖維狀 CuO的數(shù)量逐漸減少。通過比較模擬結果和實驗結果發(fā)現(xiàn)存在四個不同的典型微觀結構區(qū)域，這是由單斜晶和立方晶氧化銅在擠壓過程中的相互作用所引起[18]。角坤等[19]采用原位反應合成法制備 CuO含量為 10%的Ag/CuO復合材料，纖維狀CuO組織沿著變形方向分布，且CuO在銀基中的彌散化程度隨著變形量的增加更均勻。李曉龍等[20]研究發(fā)現(xiàn)隨著擠壓模具角度的增大，材料表面附近的CuO顆粒分散性逐漸增強，立方CuO纖維不斷變細變長，而且立方CuO顆粒纖維化現(xiàn)象沿徑向向內(nèi)逐漸減少。向雄志等[21]軋制AgCu合金內(nèi)氧化形貌及性能研究，利用固態(tài)相變方式來調(diào)控合金組織及其溶質(zhì)元素的顯微分布，并由此通過內(nèi)氧化工藝以獲得可控的氧化物顆粒，進而改善合金性能。李文生等[22]通過等離子噴涂工藝制備Ag-Cu復合電觸頭試樣，研究擴散退火對觸頭界面區(qū)域微觀組織、成分分布以及導電性的影響。經(jīng) 600℃擴散退火處理后，Ag-Cu等離子噴涂復合電觸頭界面Ag涂層中Cu第二相析出，導電率顯著上升，但隨著退火時間延長，觸頭內(nèi)部因體積收縮，涂層裂紋、空隙增加，導電率呈現(xiàn)下降趨勢。王新建等[23]研究表明 AgCu(4)Ni(0.3)合金在大氣條件下的內(nèi)氧化是可行的，且其內(nèi)氧化動力學符合拋物線規(guī)律。這與AgCuNi合金的內(nèi)氧化熱力學計算結果完全一致，為AgCuNi合金的內(nèi)氧化生產(chǎn)提供了可靠的理論和實驗依據(jù)。Wu等[24]采用合金預氧化燒結法制備了Ag/CuO(10)電接觸材料，電弧侵蝕區(qū)的Cu、O等元素在Ag基本相中表現(xiàn)出更高的固溶程度。在MeO顆粒增強銀基電接觸材料中，采用元素摻雜或本身結構改性制備出具有彌散分布均勻的顆粒組織有助于改善Ag/CuO材料的電學及抗電弧侵蝕性能。聶寶鑫等[25]研究發(fā)現(xiàn)合金內(nèi)氧化 Ag/CuO電接觸材料經(jīng)微量Ni、稀土和Sn添加改性后均起到了細化顆粒的作用，尤其 Sn的添加可大幅度提升Ag/CuO的抗熔焊特性。陶麒鸚等[26]發(fā)現(xiàn)CuO含量為 10%的原位反應合成法制備的 Ag/CuO(10)電接觸材料分斷燃弧時間最為穩(wěn)定；隨電流的增大，Ag/CuO電觸頭材料的熔焊力不同程度地增加，接觸電阻隨電流增大呈現(xiàn)出下降的趨勢。綜上分析可知，CuO顆粒相顯微組織的熱力學動力學調(diào)控或第三組元的摻雜改性有助于提升Ag/CuO電接觸材料的導電性能、耐電弧侵蝕特性等綜合性能。

1.3 AgZnO體系

Ag/ZnO電接觸材料是1960年代末至1970年代初發(fā)展起來的一種新型觸頭材料。Ag/ZnO因具有優(yōu)良的抗熔焊性、好的耐電弧腐蝕性、低而穩(wěn)定的接觸電阻、易焊接等特點而被看做是性能最接近Ag/CdO且最有希望替代 Ag/CdO的電接觸材料之一。相關學者從制備技術、增強相結構改性、元素摻雜等方式優(yōu)化改進Ag/ZnO的機械性能和耐電侵蝕能力等性能。

李愛坤等[27]研究表明熱等靜壓技術能夠有效的提高Ag/ZnO(12)的燒結坯致密度；熱等靜壓制備的Ag/ZnO(12)絲材軟態(tài)抗拉強度達到292 MPa，斷后延伸率達到16%，比同狀態(tài)下常規(guī)燒結的絲材提升了5.4%和28%。張乃千等[28]發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)的粉末冶金技術，熱等靜壓工藝生產(chǎn)的銀氧化鋅觸頭材料性能優(yōu)越，與國外同類產(chǎn)品性能相當。吳春萍等研究了AgZn合金內(nèi)氧化的熱力學和動力學問題。AgZn合金快速氧化增重溫度區(qū)間為600℃~800℃，且隨著溫度的升高，AgZn合金的氧化越充分[29]。魏志君[30]研究了ZnO增強相改性和Ag/ZnO電接觸材料的制備及電接觸性能。以棒狀ZnO作為增強相制備的 Ag/ZnO電接觸材料具有最優(yōu)的性能，Ag/ZnO電接觸材料的腐蝕機制可以分為氣泡富集區(qū)、Ag富集區(qū)、ZnO富集區(qū)、孔洞、液滴飛濺等。張佳[31]研究發(fā)現(xiàn)摻雜質(zhì)量分數(shù)為 0.5%的 TiB2的Ag/ZnO電接觸材料表現(xiàn)出最佳的硬度、電導率、擊穿強度以及優(yōu)異的耐電侵蝕能力。Guzmán等[32]采用低溫下的熱機械化學法可使AgZn固溶體在短時間內(nèi)完全氧化，實現(xiàn)納米級ZnO增強相在Ag基體中均勻分布，有效提升了Ag/ZnO材料的電學性能。

1.4 Ag基電接觸材料新體系

由于Ag/SnO2、Ag/CuO、Ag/ZnO等材料體系自身的局限性，學者們亦開展了大量新型增強相改性增強銀基電接觸材料。

Zhang等[33]研究發(fā)現(xiàn)，與 Ag/SnO2相比，Ag/La2Sn2O7-SnO2電接觸材料經(jīng)電弧作用后表面形貌較為平整，表現(xiàn)出較低的熔焊力。由于在電弧作用下La2Sn2O7的存在有助于提高熔池的粘滯性，同時Ag/La2Sn2O7-SnO2觸點表面分布的“小汗珠”狀顆粒物能夠起到分散電弧能量的作用，從而可以降低侵蝕區(qū)域的溫升、減弱表面結構的破壞程度，獲得較好的抗熔焊性能。葉晨琳等[34]研究發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)的Ag/SnO2與Ag/ZnO電接觸材料，Ag/Zn2SnO4電接觸材料在電學性能和致密度上具有明顯優(yōu)勢。鄭曉華等[35]研究發(fā)現(xiàn)相比 Ag/LSCOm、Ag/LSCOl，Ag/LSCOg電接觸材料表現(xiàn)出更加優(yōu)異的物理性能，其電阻率為 2.37 μΩ·cm，維氏硬度為 80，密度為9.32 g/cm3；但電接觸性能差異不大。王松等[36]研究發(fā)現(xiàn)相比于石墨、碳納米管，銀-石墨烯復合材料表現(xiàn)出最佳電接觸性能，其燃弧時間最短、燃弧能量最低、材料轉移量和質(zhì)量凈損耗最少。賈海龍等[37]研究發(fā)現(xiàn)Ti2AlN增強相在改善Ag基電接觸材料的燃弧時間、燃弧能量和抗熔焊性能方面具有明顯優(yōu)勢。在氣相電弧作用下，電觸頭陰極形成蝕坑中心如熔巖狀和“汗滴”狀微觀組織，Ti2AlN增強相顆粒通過Ti、Al熔入Ag熔池，可改善熔體的黏度，從而增強抗電弧侵蝕性能。

2 Ag/MeO電接觸復合材料的制備技術

目前研究電接觸材料常用的制備技術為反應霧化法(Reaction atomization，RA)、機械合金化(Mechanical alloying，MA)、內(nèi)氧化法(Internal oxidation，IO)、粉末冶金技術(Powder metallurgy，PM)等。采用單一的復合材料制備技術已無法滿足高質(zhì)量電接觸材料的性能要求，應結合各自優(yōu)勢，實現(xiàn)制備技術的集成創(chuàng)新。在此，非常有必要進一步理解相關制備技術的工作原理，以更好地發(fā)揮各自的技術優(yōu)勢。

2.1 反應霧化法

反應霧化技術是通過將合金液體通過高壓霧化機進行噴霧制成合金粉體，再通過氧化生成原料粉體，最后通過粉末冶金工藝制備相應的電工合金產(chǎn)品。該工藝是目前廣泛采用的一種制備氧化物增強金屬基電接觸復合材料的工藝。其熔煉-霧化機理主要由3部分構成：1) 由熔融金屬形成原始的液滴；2) 原始的液滴破碎成顆粒，形成二次顆粒；3) 二次顆粒最終制取橢球形或球形的霧化金屬粉體顆粒。霧化金屬粉體的制取必須綜合考慮霧化系統(tǒng)的各裝置及結構設計，主要受到熔煉氣氛、霧化筒溫度、熔融金屬的特性、霧化介質(zhì)、噴射幾何形狀及霧化筒結構參數(shù)等因素的影響。其中對于霧化制粉來說熔融金屬元素或化合物的特性控制非常關鍵，包括表面張力、粘度、由漏包流出的流速、過熱程度以及熔點。

2.2 機械合金化

機械合金化工藝是指采用高能球磨技術，通過球磨介質(zhì)、反應顆粒、球磨氣氛間的相互沖擊碰撞、相互剪切、摩擦作用，達到元素間原子級別的合金化，于固態(tài)下合成平衡相、非平衡相或混合相的制備工藝。通過高能機械合金化方法實現(xiàn)金屬基體相和增強相之間的強力復合。利用球料比和填充系數(shù)、球徑比、球磨轉速、球磨時間、工藝控制劑等影響因素之間的協(xié)同作用，金屬基體與增強相之間發(fā)生固溶強化、形變強化，進而顯著提升增強相在金屬基體中的浸潤性并實現(xiàn)冶金結合，有效改善了增強相與基體的界面結合強度，對大幅度提升電接觸材料的電導率、強度、韌性、延展性等性能極為有利。

2.3 粉末冶金技術

粉末冶金工藝是制備電接觸材料制備最為傳統(tǒng)且最為重要的方法，其最大優(yōu)點在于：可任意調(diào)配材料組成或加入添加劑可以任意調(diào)配，不受限制。該制備工藝過程主要由混粉、成型、燒結、整型、擠壓、拉拔等工序構成，如圖2所示。

圖2 銀基電接觸功能復合材料制備工藝[38]Fig.2 Preparation process of silver based electrical contact materials[38]

其中，粉末冶金過程中如何精確地控制粉末燒結的致密化是制備高質(zhì)量電接觸材料的基礎。粉末顆粒的燒結過程是一個復雜的多因素影響下的物理、化學以及物理冶金和物理化學過程。燒結過程中由黏結階段、燒結頸長大及閉孔隙球化和縮小階段構成。國內(nèi)外學者先后開展了燒結過程的熱力學、動力學、燒結機理等研究，在一些具體的燒結方式如液相燒結、熱壓燒結等取得了比較顯著的成果。在粉末熱壓燒結制備材料的過程中，界面條件及應力應變場動態(tài)變化對界面微結構的形成具有重要的影響。有效控制復雜的界面力學條件，使界面兩側產(chǎn)生最佳的應力狀態(tài)，以實現(xiàn)結合界面理想的物理化學冶金條件，并形成良好的結合界面，是材料制備及結構成型工藝的關鍵問題。要準確預測參數(shù)及提高材料制備及成型工藝水平，就必須對變形與擴散過程中界面的微觀力學行為進行深入的研究。物質(zhì)擴散遷移過程與燒結致密化過程之間的關系十分緊密。因此，提高燒結過程中物質(zhì)遷移速率可提高燒結產(chǎn)品的密度和性能?；罨療Y作為有效的方式可以提高物質(zhì)燒結過程中的遷移速率。如預氧化活化燒結工藝就是在燒結過程中，通過將粉體顆粒表面一層薄氧化物還原為金屬，降低燒結過程中原子遷移的活化能，促進顆粒的燒結速率，提升燒結質(zhì)量。

2.4 內(nèi)氧化法

合金內(nèi)氧化法是通過一定濃度、壓力含氧氣氛條件下，在一定的溫度下通過氧的濃度擴散，選擇性氧化溶質(zhì)元素，生成金屬基氧化物復合材料的一種工藝。其最大優(yōu)點在于：通過調(diào)控氧化溫度、氧化時間以及微觀改性組元等熱力學-動力學影響因素，可以制備出致密度高、氧化物顆粒細小的微觀組織，表現(xiàn)為優(yōu)良的抗電弧侵蝕能力和更長的電壽命服役性能。該制備工藝的生產(chǎn)流程主要由配料、熔煉、鍛打、擠壓、軋制、沖裁、內(nèi)氧化、清洗等工序構成。相應的合金內(nèi)氧化反應機理如圖3所示。

圖3 合金內(nèi)氧化機理示意圖Fig.3 Schematic diagram of alloy internal oxidation mechanism

大氣中的 O2分子通過合金材料表面的間隙進入，吸附在合金粒子的表面；吸附的O2分子在一定的氧化條件下分解，形成的O原子繼續(xù)吸附于合金粒子表面；通過擴散，O原子向合金粒子內(nèi)滲入，合金粒子中易氧化的金屬原子向外擴散。當兩者相遇時，發(fā)生氧化反應，形成金屬氧化層；氧原子穿過合金粒子的內(nèi)氧化層，向其內(nèi)部擴散，從而擴大內(nèi)部的氧化區(qū)域，直至該金屬被完全氧化。當合金A(溶劑)-B(溶質(zhì))在氧化性氣氛中加熱時，如果兩種元素的化學活性(電負性)差別較大，通過合理地選擇氣氛的氧分壓，就可能發(fā)生選擇性氧化。如果在合金中氧的溶解度較大，且擴散系數(shù)也很大，氧化物微粒將分布于合金內(nèi)部，這就是所謂的內(nèi)氧化，有別于發(fā)生在金屬表面的氧化。實現(xiàn)合金內(nèi)氧化的基本條件是：1) 在氧化處理溫度下，氧在基體金屬A中的溶解度要大；2) 在氧化處理溫度下，溶質(zhì)元素B和氧應能溶解于基體金屬A中，而B的氧化物則應是不可溶的；3) 氧與基體 A不能形成穩(wěn)定的氧化物，而與B應能形成穩(wěn)定的氧化物；4) 溶劑的原子在基體金屬A中的擴散速度必須低于氧在基體金屬A中的擴散速度。發(fā)生內(nèi)氧化時，溶質(zhì)B原子會進行短程擴散，且溶質(zhì)原子的擴散程度影響著氧化物顆粒的分布與大小。增強體顆粒的大小和分布又是決定材料性能的重要因素。B 原子擴散距離愈短，氧化物顆粒愈細小，其分布也愈理想，發(fā)生外氧化的可能性也愈小。

3 Ag/MeO電接觸復合材料的理論仿真

目前，關于電接觸材料的理論計算相關的研究并不太多，但隨著傳統(tǒng)“炒菜式”的材料制備技術存在研發(fā)周期長，難以全面優(yōu)化設計材料制備工藝，迫切需要尋求新材料設計研究的新思路。文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前關于電接觸材料的結構設計、計算研究等主要從模擬仿真、熱力學動力學計算、第一性原理等方向展開研究。

筆者所在課題組采用ANSYS軟件，開展銀基電接觸復合材料微觀結構-性能模擬仿真，建立銀基微納復合材料穩(wěn)態(tài)熱電耦合模型，引入電子散射區(qū)域的概念，分析和預測復合材料的導電性能；采用DEFORM-3D軟件對Ag基復合材料進行擠壓過程的溫度場和流變速度場模擬，考察擠壓溫度、擠壓速度等對擠壓過程、擠壓模具的影響規(guī)律，為擠壓工藝及擠壓模具設計參數(shù)提供指導意義[39]；采用Gleeble熱模擬試驗分析銀基電接觸材料的高溫蠕變行為(圖 4)[6]。另據(jù)文獻報道采用第一性原理對Ag/SnO2電接觸材料的計算研究，為 Ag基電接觸材料的高效設計研發(fā)提供理論指導意義。

圖4 Ag/SnO2-Bi2O3電接觸復合材料的應力-應變關系圖及其熱加工圖[6]Fig.4 Stress-strain diagram and its thermal processing map of Ag/SnO2-Bi2O3 electrical contact materials

于雙淼等[40]采用基于密度泛函理論的第一性原理計算得出Ce和Nd共摻雜SnO2可以顯著提高SnO2的導電性，為Ag/SnO2電接觸材料的研究提供理論參考。趙彩甜等[41]采用第一性原理計算方法得出添加少量Bi元素摻雜后SnO2帶隙減小，電子躍遷容易，同時費米面附近載流子濃度增大，增強了材料的導電性。陳令等[42]采用密度泛函理論、第一性原理以及CASTEP軟件對Ag/SnO2觸頭熱性能進行了研究。相比于純 Ag/SnO2體系，La-W 共摻改性Ag/SnO2表現(xiàn)為較高的熵值，提高了各原子的運動活性；較低的體系自由能下降，為晶體相變提供了足夠的驅(qū)動力；較高的焓值，為體系提供了足夠的熱量；進而推斷La-W共摻改性Ag/SnO2材料在惡劣環(huán)境下受到損害后表現(xiàn)為較佳的恢復能力?？梢园l(fā)現(xiàn)，采用第一性原理計算，有助于縮短材料篩選與研發(fā)周期，提前預測電接觸材料的電學、熱學及電接觸性能。

4 結語

盡管目前學者們一直在致力于研制開發(fā)替代Ag/CdO的新型電接觸材料，但是關于 Ag/CdO材料自身為何具有優(yōu)異的綜合電接觸性能尚未闡明其真正的內(nèi)在機制，亦未給出統(tǒng)一的論述觀點?，F(xiàn)有文獻報道的銀基電接觸材料結構-性能分析局限于較為傳統(tǒng)的表征技術，有必要采用新型表征技術(原位透射電鏡、背散射電子衍射(EBSD)、X射線光電子能譜技術(XPS)等)分析 Ag/CdO等電接觸材料的本質(zhì)特性，為新材料體系研發(fā)提供最本質(zhì)的設計判據(jù)。此外，關于電弧能量場作用下銀基電接觸材料的表面熔池特性、熔池內(nèi)部冶金反應行為及其電壽命失效機制有待深入研究。

現(xiàn)有文獻所述的摻雜改性技術并未明確額外元素摻雜的基本原則、深入分析摻雜后形成固溶體或新相的反應機制及其對電接觸材料的結構-性能影響規(guī)律，有必要借助材料計算學或相圖理論進行材料篩選，縮短研發(fā)周期。此外，目前關于Ag/SnO2、Ag/ZnO、Ag/CuO等銀基電接觸材料的動態(tài)物理性能、動態(tài)耐電弧侵蝕性能方面的研究較少，關于電弧能量場作用下銀基電接觸材料的表面熔池特性、熔池內(nèi)部冶金反應行為及其電壽命失效機制有待深入研究。