一種TCO/Ag電接觸材料的製作方法

2023-07-14 15:39:46

專利名稱：一種TCO/Ag電接觸材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電接觸材料。
背景技術：
目前，低壓電器用電觸頭材料主要是銀基材料，即在銀基體中添加彌散相製備的功能複合材料，主要包括Ag-MeO、Ag-C> Ag-Ni> Ag-W等四大類。這類材料可以保證低壓電器在大氣環境下的可靠服役，但同時消耗了大量的貴金屬銀。另外，目前綜合性能最為優異的Ag-CdO材料，由於Cd的毒性很大，其應用在很大程度上受到限制。我國銀資源缺乏，且銀價格昂貴，因此開發節銀環保電接觸材料是現階段低壓電器用電觸頭材料發展的重要趨勢和研究熱點。目前國內外的最新研究成果表明，在Ag-MeO體系中,最有希望代替Ag-CdO材料的·是Ag-Sn02、Ag-ZnO類氧化物改性銀基材料體系。但在實際應用中出現了以下幾個方面問題(I)接觸電阻不穩定。觸頭事前溫升較好，但在電弧作用後會急劇下降，甚至出現不導通現象。(2)電壽命較低。與Ag-CdO材料相比，電壽命指標甚至出現數量級上的差異。(3)觸頭顏色不穩定。在製備工藝過程中，以及在服役過程中會出現發暗、發黑等顏色變化，影響產品的外在質量。這些問題的存在，使Ag-Sn02、Ag_Zn0類銀基材料的無法滿足接觸器類長壽命電器和新型低接觸壓力高容量電器的要求，限制了其進一步的推廣和應用。上述問題存在的主要原因在於，目前低壓電器用Ag-MeO電接觸材料設計沒有考慮到第二相與基體之間的潤溼性。具體說來，第二相選擇上，研究者大都注重第二相的導電特性和抗燒蝕骨架作用，並沒有對其與基體之間的潤溼性開展研究。而潤溼性對Ag-MeO觸頭的綜合特性具有關鍵作用。如果銀基體與第二相之間潤溼性不好，首先影響到的是材料緻密化程度，即難於獲得低孔隙率緻密材料。對於粉末冶金體來說，相對於無孔隙坯件，含2%孔隙率的坯件抗拉強度下降50%。其次，兩相間潤溼性差時，材料的第二相與基體之間相當於存在宏觀缺陷，易於形成裂紋源。因而，這種第二相越彌散，材料抗損傷容限越低。第三，潤溼性不良會導致接觸穩定性下降。對應於Ag-SnO2材料的研究表明，由於SnO2等高穩定的氧化物與基體之間潤溼性差，在熔池中難於彌散懸浮分布，從而逐步在觸頭表面富集，增大接觸電阻，最終造成其製品溫升過高及電壽命較低。因此，第二相與基體之間潤溼性及其調控是低壓電器用銀基電接觸材料設計的關鍵。綜上所述，由於第二相與基體之間潤溼性差直接導致銀基電接觸材料接觸電阻高、自滅弧能力低及緻密度難以調控的問題，導致影響電器的服役壽命和可靠性，使其難以無法滿足接觸器類長壽命電器的要求。

發明內容
本發明是要解決現有技術中由於第二相與基體之間潤溼性差直接導致銀基電接觸材料接觸電阻高、自滅弧能力低及緻密度難以調控的問題，提供了一種TCO/Ag電接觸材料。
一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由8°/Γ 5%透明導電氧化物Α、餘量為銀製成；或按照質量百分數由89Γ20%透明導電氧化物B、餘量為銀製成；其中透明導電氧化物A為鋁摻雜氧化鋅、鎵摻雜氧化鋅、銻摻雜氧化錫或鑰摻雜氧化錫中的一種；透明導電氧化物B為錫酸鋅或錫酸鎘。一種TCO/Ag電接觸材料的製備方法為在攪拌條件下，將目標金屬分別溶於質量濃度為169Γ25%的硫酸中，得到金屬硫酸鹽溶液，按照電接觸材料中各金屬的質量百分數將各金屬硫酸鹽溶液混合；按照硫酸鹽溶液中金屬離子與質量濃度為15%的碳酸鈉溶液中鈉離子的物質的量之比為I :1，向硫酸鹽溶液中加入質量濃度為15%的碳酸鈉溶液，反應完全後靜置、過濾，得到沉澱物；將沉澱物洗滌，真空乾燥，再在溫度為720V -860°C條件下煅燒2h，冷卻至室溫過篩，得到混合粉末；將混合粉末壓製成坯料，再在溫度為860°C -930°C條件下燒結2tT4h，再採用熱擠壓變形工藝加工，得到一種TCO/Ag電接觸材料。本發明的有益效果是(1)接觸電阻低且穩定。研究表明，ZnO、SnO2等氧化物在 純態的導電性很差，經過摻雜或複合後，其導電性會大大提高，電阻率可以提高到IO-4Qcm的量級，從而可以在觸頭表面及工作層中起到接觸導通的作用。由於第二相組元良好的導電性，即使其含量較高的情況下也不會降低材料的導電性，不會提高接觸電阻。同時，由於TCO不會與大氣環境介質發生進一步反應，從而可以保持接觸狀態的穩定。(2 )自滅弧能力提高。Sn02、ZnO等純態氧化物穩定性很高(熔點均為2000K以上)，在服役過程中的焦耳熱和電弧的作用下不易氣化和揮發。而經複合或摻雜後的透明導電氧化物(例如SnO2 ·Μο03)在1494Κ的飽和蒸汽壓可達l(T3atm.,並生成(SnO)n ·Μο03+複合離子結構,其在電弧作用下的生成和進一步分解都會吸收能量，使電弧陰極斑點在觸頭表面移動速度的提高，並縮短燃弧時間，從而起到自滅弧的作用，降低電磨損。(3)界面潤溼性的改善。對於Ag-MeO觸頭材料的研究表明，通過添加Bi203、TeO2, WO3> MoO3等添加劑的使用極大地改善了 Ag-SnO2的接觸特性，使其應用上了一個新的臺階。在高溫條件下，添加劑與第二相發生反應，生成生成如Bi2Sn207、Ag2Mo04、AgSb03等新的物相而改善了潤溼性。透明導電氧化物的複合和摻雜所生成的物相也具有上述特性，因而可以達到與基體較好的潤溼效果。本發明製成的TCO/Ag電接觸材料電阻率為2. O μ Ω · cm^2. 3 μ Ω · cm，第二相與基體之間有良好的潤溼性，並且自滅弧能力提高，使電器壽命延長；本發明製成的電接觸材料製備出的觸頭件，可滿足接觸器類長壽命電器的技術要求。本發明製成的TCO/Ag電接觸材料，可用於電磁軌道炮導軌及高速列車受電弓滑板強電弧燒蝕環境電能轉換裝置電接觸元件方面的製造。
具體實施例方式本發明技術方案不局限於以下所列舉的具體實施方式
，還包括各具體實施方式
之間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由8% 15%透明導電氧化物A、餘量為銀製成；或按照質量百分數由89Γ20%透明導電氧化物B、餘量為銀製成；其中透明導電氧化物A為鋁摻雜氧化鋅、鎵摻雜氧化鋅、銻摻雜氧化錫或鑰摻雜氧化錫中的一種；透明導電氧化物B為錫酸鋅或錫酸鎘。本實施方式的鋁摻雜氧化鋅中鋁的摻雜量為任意值；鎵摻雜氧化鋅中鎵的摻雜量為任意值；銻摻雜氧化錫中銻的摻雜量為任意值；鑰摻雜氧化錫中鑰的摻雜量為任意值。本實施方式的有益效果是(1)接觸電阻低且穩定。研究表明，ZnO、SnO2等氧化物在純態的導電性很差，經過摻雜或複合後，其導電性會大大提高，電阻率可以提高到10_4Qcm的量級，從而可以在觸頭表面及工作層中起到接觸導通的作用。由於第二相組元良好的導電性，即使其含量較高的情況下也不會降低材料的導電性，不會提高接觸電阻。同時，由於TCO不會與大氣環境介質發生進一步反應，從而可以保持接觸狀態的穩定。(2)自滅弧能力提高。Sn02、ZnO等純態氧化物穩定性很高(熔點均為2000K以上)，在服役過程中的焦耳熱和電弧的作用下不易氣化和揮發。而經複合或摻雜後的透明導電氧化物(例如SnO2 · MoO3)在1494K的飽和蒸汽壓可達l(T3atm.,並生成(SnO)n · MoO3+複合離子結構，其在電弧作用下的生成和進一步分解都會吸收能量，使電弧陰極斑點在觸頭表面移動速度的提高，並縮短燃弧時間，從而起到自滅弧的作用，降低電磨損。(3)界面潤溼性的改善。對於Ag-MeO觸頭材料的研究表明，通過添加Bi203、Te02、W03、Mo03等添加劑的使用極大地改善了Ag-SnO2的接觸特性,使其應用上了一個新的臺階。在高溫條件下，添加劑與第二相發生反應，生成生成如Bi2Sn207、Ag2Mo04、AgSbO3等新的物相而改善了潤溼性。透明導電氧化物的 複合和摻雜所生成的物相也具有上述特性，因而可以達到與基體較好的潤溼效果。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由109Γ12%鋁摻雜氧化鋅、餘量為銀製成。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由109Γ12%鎵摻雜氧化鋅、餘量為銀製成。其它與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由109Γ12%銻摻雜氧化錫、餘量為銀製成。其它與具體實施方
式一至三之一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由109Γ12%鑰摻雜氧化錫、餘量為銀製成。其它與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由159Γ18%錫酸鋅、餘量為銀製成。其它與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至六之一不同的是一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由159Γ18%錫酸鎘、餘量為銀製成。其它與具體實施方式
一至六之一相同。採用以下實施例和對比實驗驗證驗證本發明的有益效果實施例一本實施例一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由10%鋁摻雜氧化鋅、餘量為銀製成。本實施例製備TCO/Ag電接觸材料的方法為在攪拌條件下，將鋁、鋅、銀分別溶於質量濃度為16%的硫酸中，分別得到硫酸鋁溶液、硫酸鋅溶液和硫酸銀溶液，按照質量百分數鋁為O. 005%、鋅為8%、銀為90%將硫酸鋁溶液、硫酸鋅溶液和硫酸銀溶液混合，得到硫酸鹽溶液；按照硫酸鹽溶液中金屬離子與質量濃度為15%的碳酸鈉溶液中鈉離子的物質的量之比為I :1，向硫酸鹽溶液中加入質量濃度為15%的碳酸鈉溶液,反應完全後靜置、過濾,得到沉澱物；將沉澱物洗滌，真空乾燥，再在溫度為800°C條件下煅燒2h，冷卻至室溫過篩，得到混合粉末；將混合粉末壓製成坯料，再在溫度為930°C條件下燒結4h，再採用熱擠壓變形工藝加工，得到TCO/Ag電接觸材料。本實施例製成的TCO/Ag電接觸材料製備出的觸頭件的密度為9. 63g/cm3,硬度為HB74,電阻率為 2. 11 μ Ω· cm。實施例二 本實施例一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由15%鋁摻雜氧化鋅、餘量為銀製成。
本實施例製成的TCO/Ag電接觸材料製備出的觸頭件的密度為9. 72g/cm3,硬度為HB71，電阻率為 2. 04 μ Ω. cmo實施例三本實施例一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由10%鎵摻雜氧化鋅、餘量為銀製成。本實施例製成的TCO/Ag電接觸材料製備出的觸頭件的密度為9. 70g/cm3,硬度為HB78,電阻率為 2. 07 μ Ω · cm。實施例四本實施例一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由15%鎵摻雜氧化鋅、餘量為銀製成。本實施例製成的TCO/Ag電接觸材料製備出的觸頭件的密度為9. 69g/cm3,硬度為HB76,電阻率為 2. 10 μ Ω · cm。實施例五本實施例一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由10%銻摻雜氧化錫、餘量為銀製成。本實施例製成的TCO/Ag電接觸材料製備出的觸頭件的密度為9. 79g/cm3,硬度為HB81，電阻率為 2. 03 μ Ω. cmo實施例六本實施例一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由15%銻摻雜氧化錫、餘量為銀製成。本實施例製成的TCO/Ag電接觸材料製備出的觸頭件的密度為9. 74g/cm3，硬度為HB83,電阻率為 2. 15 μ Ω · cm。實施例七本實施例一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由10%鑰摻雜氧化錫、餘量為銀製成。本實施例製成的TCO/Ag電接觸材料製備出的觸頭件的密度為9. 72g/cm3,硬度為HB81，電阻率為 2. 06 μ Ω. cmo實施例八
本實施例一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由15%鑰摻雜氧化錫、餘量為銀製成。本實施例製成的TCO/Ag電接觸材料製備出的觸頭件的密度為9. 62g/cm3,硬度為HB65,電阻率為 2. 13 μ Ω · cm。實施例九本實施例一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由15%錫酸鋅、餘量為銀製成。本實施例製成的TCO/Ag電接觸材料製備出的觸頭件的密度為9. 74g/cm3,硬度為HB74,電阻率為 2. 01 μ Ω · cm。實施例十本實施例一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由20%錫酸鋅、餘量為銀製成。
·
本實施例製成的TCO/Ag電接觸材料製備出的觸頭件的密度為9. 71g/cm3,硬度為HB82,電阻率為 2. 17 μ Ω · cm。實施例^^一本實施例一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由15%錫酸鎘、餘量為銀製成。本實施例製成的TCO/Ag電接觸材料製備出的觸頭件的密度為9. 73g/cm3,硬度為HB69,電阻率為 2. 01 μ Ω · cm。實施例十二 本實施例一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由20%錫酸鎘、餘量為銀製成。本實施例製成的TCO/Ag電接觸材料製備出的觸頭件的密度為9. 72g/cm3,硬度為HB78,電阻率為 2. 04 μ Ω · cm。對比實驗本對比實驗一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由12%氧化鎘、餘量為銀製成。本對比實驗製成的TCO/Ag電接觸材料製備出的觸頭件的密度為9. 8g/cm3,硬度為HB80,電阻率為 2. 11 μ Ω. cm。上述實施例和對比實驗製備的電接觸材料製備出的觸頭件與標準的觸頭標樣在專用測試臺架上進行對比測試實驗，測試交流條件下的電磨損穩定性、出現工作層時觸頭表面的接觸壓降。測試數據列於表I之中，測試條件電流為30Α，電壓為380V，cOS<p為0. 8，開/關循環次數為10000次。電壓降為30次測試的平均值；電磨損量為觸頭對上磨損量的平均值。表I交流條件下電磨損穩定性和出現工作層時觸頭表面的接觸壓降
權利要求
1.一種TCO/Ag電接觸材料，其特徵在於一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由89Γ15%透明導電氧化物A、餘量為銀製成；或按照質量百分數由89Γ20%透明導電氧化物B、餘量為銀製成；其中透明導電氧化物A為鋁摻雜氧化鋅、鎵摻雜氧化鋅、銻摻雜氧化錫或鑰摻雜氧化錫中的一種；透明導電氧化物B為錫酸鋅或錫酸鎘。
2.根據權利要求I所述的一種TCO/Ag電接觸材料，其特徵在於一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由109Γ12%鋁摻雜氧化鋅、餘量為銀製成。
3.根據權利要求2所述的一種TCO/Ag電接觸材料，其特徵在於一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由109Γ12%鎵摻雜氧化鋅、餘量為銀製成。
4.根據權利要求3所述的一種TCO/Ag電接觸材料，其特徵在於一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由109Γ12%銻摻雜氧化錫、餘量為銀製成。
5.根據權利要求4所述的一種TCO/Ag電接觸材料，其特徵在於一種TCO/Ag電接觸材 料，按照質量百分數由109Γ12%鑰摻雜氧化錫、餘量為銀製成。
6.根據權利要求5所述的一種TCO/Ag電接觸材料，其特徵在於一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由159Γ18%錫酸鋅、餘量為銀製成。
7.根據權利要求6所述的一種TCO/Ag電接觸材料，其特徵在於一種TCO/Ag電接觸材料，按照質量百分數由159Γ18%錫酸鎘、餘量為銀製成。
全文摘要
一種TCO/Ag電接觸材料，本發明涉及一種電接觸材料。本發明是要解決現有技術中由於第二相與基體之間潤溼性差直接導致銀基電接觸材料接觸電阻高、自滅弧能力低及緻密度難以調控的問題。本發明一種TCO/Ag電接觸材料，由透明導電氧化物和銀製成。本發明製成的TCO/Ag電接觸材料電阻率為2.0μΩ.cm~2.3μΩ.cm，第二相與基體之間有良好的潤溼性，並且自滅弧能力提高，使電器壽命延長；本發明製成的電接觸材料製備出的觸頭件，可滿足接觸器類長壽命電器的技術要求。本發明製成的TCO/Ag電接觸材料，可用於電磁軌道炮導軌及高速列車受電弓滑板強電弧燒蝕環境電能轉換裝置電接觸元件方面的製造。
文檔編號C22C5/06GK102912177SQ20121044286
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月8日 優先權日2012年11月8日
發明者邵文柱, 甄良, 徐成彥 申請人:哈爾濱工業大學