CN102936668A

CN102936668A - 一种TCO/Cu电接触材料

Info

Publication number: CN102936668A
Application number: CN2012104424865A
Authority: CN
Inventors: 邵文柱; 甄良; 姜建堂
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2013-02-20

Abstract

一种TCO/Cu电接触材料，它涉及一种电接触材料。本发明是要解决现有电接触材料由于接触电阻高、与基体润湿性差和自灭弧能力低而导致电器寿命短的问题。本发明的TCO/Cu电接触材料是由透明导电氧化物，镧，锆和铜制成。本发明中透明导电氧化物的采用可以起到提高材料接触导电能力、自灭弧能力和与基体润湿性的多重效果。由本发明的TCO/Cu电接触材料制备的触头在CJ40-63接触器AC4工作制下的寿命值为40000次，而由现有铜基电接触材料制备的触头的寿命值仅为10000～12600次。本发明应用于电工材料领域。

Description

一种TCO/Cu电接触材料

技术领域

本发明涉及一种电接触材料。

背景技术

众所周知，大多数低压电器用电接触材料都是贵金属，特别是银基合金或复合材料材料。尽管银基材料可保证电接触元件的良好服役特性和电器的可靠工作，却导致了稀贵金属的大量消耗。

与银相比，铜作为电接触材料最大的问题在于其易于氧化，且生成的氧化膜不导电。因此，以铜作为电接触材料基体时，必须要解决其在存储和服役过程中的氧化问题。目前研究结果认为，添加稀土元素(La、Ce、Y等)和微量(Zr、Te、In、Hf、Bi、Cd等)元素合金化能够有效控制铜的氧化膜生长速度。但在低压电器接通和分断时，电弧和焦耳热的作用仍然会是铜触头表面发生熔化和氧化，使其接触特性恶化。所以，如何有效控制铜触头工作层(表面氧化及电弧烧蚀形成的膜层)接触特性成为TCO/Cu电接触材料设计的关键性问题。

基于电接触理论和参照银基电接触材料设计原则，目前低压电器上使用的铜基材料大都在基体合金化的基础上，通过的第二相添加构成耐烧蚀骨架和保证其表层接触特性。较早用于低压开关的Cu-C(石墨、金刚石等，近几年也有人提出石墨烯、碳纳米管等)触头是利用石墨的高导电性提高了铜触头的接触导通能力，同时起到了抗熔焊作用，使其具有极高的通断能力。但由于石墨与基体之间润湿性较差，在热-力循环载荷作用下裂纹易于快速扩展，造成早期失效，因而Cu-C(石墨)触头电寿命较低。在Cu-C(金刚石)系列触头材料的基础上添加金属相(Nb、V、W、Ta、Mo)，主要利用这些金属不易氧化，且其低价氧化物具有良好导电性的特点，保证材料表面工作层具有较高的转换稳定性和抗腐蚀特性，使之在一些电器上得到了产业化应用。但由于上述添加的金属在长期服役时表面金属氧化物会与水蒸气反应形成钨酸铜类绝缘产物，使触头失去接触转换功能。总之，目前这种设计思想所开发出的触头材料，由于接触电阻高、与基体润湿性差和自灭弧能力低而导致电接触材料的寿命短和可靠性差的问题，已经无法满足接触器类长寿命电器的要求。

发明内容

本发明是要解决现有电接触材料由于接触电阻高、与基体润湿性差和自灭弧能力低而导致电器寿命短的问题，提供了一种TCO/Cu电接触材料。

本发明一种TCO/Cu电接触材料，按质量百分比是由4％～10％的透明导电氧化物A，0.004％～0.01％的镧，0.1％～0.2％的锆和余量的铜制成，或者是按质量百分比由6％～15％的透明导电氧化物B，0.005％～0.01％的镧，0.2％～0.3％的锆和余量的铜制成；其中透明导电氧化物A为铝掺杂氧化锌、镓掺杂氧化锌、锑掺杂氧化锡或钼掺杂氧化锡，透明导电氧化物B为锡酸锌或锡酸镉。

本发明采用透明导电氧化物(TCO)作为第二相和基体合金化的原则进行材料设计，并通过液相原位合成共沉积及后续热处理等方法实现材料制备，获得耐电弧烧蚀性高、接触电阻低且稳定的TCO/Cu电接触材料。TCO的采用可以起到提高材料接触导电能力、自灭弧能力和与基体润湿性的多重效果。(1)接触电阻低且稳定。研究表明，ZnO、SnO₂等氧化物在纯态的导电性很差，经过掺杂或复合后，其导电性会大大提高，电阻率可以提高到10^-4Ωcm的量级，从而可以在触头表面及工作层中起到接触导通的作用。由于第二相组元良好的导电性，即使其含量较高的情况下也不会降低材料的导电性，不会提高接触电阻。同时，由于TCO不会与大气环境介质发生进一步反应，从而可以保持接触状态的稳定。(2)自灭弧能力提高；SnO₂、ZnO等纯态氧化物稳定性很高(熔点均为2000K以上)，在服役过程中的焦耳热和电弧的作用下不易气化和挥发。而经复合或掺杂后的TCO(例如SnO₂·MoO₃)在1494K的饱和蒸汽压可达10^-3atm.，并生成(SnO)_n·MoO₃ ⁺复合离子结构，其在电弧作用下的生成和进一步分解都会吸收能量，使电弧阴极斑点在触头表面移动速度的提高，并缩短燃弧时间，从而起到自灭弧的作用，降低电磨损。(3)界面润湿性的改善；对于Ag-MeO触头材料的研究表明，通过添加Bi₂O₃、TeO₂、WO₃、MoO₃等添加剂的使用极大地改善了Ag-SnO₂的接触特性，使其应用上了一个新的台阶。在高温条件下，添加剂与第二相发生反应，生成生成如Bi₂Sn₂O₇、Ag₂MoO₄、AgSbO₃等新的物相而改善了润湿性。TCO的复合和掺杂所生成的物相也具有上述特性，因而可以达到与基体较好的润湿效果。

由本发明的TCO/Cu电接触材料制备的触头在CJ40-63接触器AC4工作制下的寿命值为40000次，而由现有TCO/Cu电接触材料制备的触头的寿命值仅为10000～12600次。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种TCO/Cu电接触材料，按质量百分比是由4％～10％的透明导电氧化物A，0.004％～0.01％的镧，0.1％～0.2％的锆和余量的铜制成，或者是按质量百分比由6％～15％的透明导电氧化物B，0.005％～0.01％的镧，0.2％～0.3％的锆和余量的铜制成；其中透明导电氧化物A为铝掺杂氧化锌、镓掺杂氧化锌、锑掺杂氧化锡或钼掺杂氧化锡，透明导电氧化物B为锡酸锌或锡酸镉。

本实施方式的铝掺杂氧化锌中铝的掺杂量为任意值；镓掺杂氧化锌中镓的掺杂量为任意值；锑掺杂氧化锡中锑的掺杂量为任意值；钼掺杂氧化锡中钼的掺杂量为任意值。

本实施方式采用透明导电氧化物(TCO)作为第二相和基体合金化的原则进行材料设计，并通过液相原位合成共沉积及后续热处理等方法实现材料制备，获得耐电弧烧蚀性高、接触电阻低且稳定的TCO/Cu电接触材料。TCO的采用可以起到提高材料接触导电能力、自灭弧能力和与基体润湿性的多重效果。(1)接触电阻低且稳定。研究表明，ZnO、SnO₂等氧化物在纯态的导电性很差，经过掺杂或复合后，其导电性会大大提高，电阻率可以提高到10^-4Ωcm的量级，从而可以在触头表面及工作层中起到接触导通的作用。由于第二相组元良好的导电性，即使其含量较高的情况下也不会降低材料的导电性，不会提高接触电阻。同时，由于TCO不会与大气环境介质发生进一步反应，从而可以保持接触状态的稳定。(2)自灭弧能力提高；SnO₂、ZnO等纯态氧化物稳定性很高(熔点均为2000K以上)，在服役过程中的焦耳热和电弧的作用下不易气化和挥发。而经复合或掺杂后的TCO(例如SnO₂·MoO₃)在1494K的饱和蒸汽压可达10^-3atm.，并生成(SnO)_n·MoO₃ ⁺复合离子结构，其在电弧作用下的生成和进一步分解都会吸收能量，使电弧阴极斑点在触头表面移动速度的提高，并缩短燃弧时间，从而起到自灭弧的作用，降低电磨损。(3)界面润湿性的改善；对于Ag-MeO触头材料的研究表明，通过添加Bi₂O₃、TeO₂、WO₃、MoO₃等添加剂的使用极大地改善了Ag-SnO₂的接触特性，使其应用上了一个新的台阶。在高温条件下，添加剂与第二相发生反应，生成生成如Bi₂Sn₂O₇、Ag₂MoO₄、AgSbO₃等新的物相而改善了润湿性。TCO的复合和掺杂所生成的物相也具有上述特性，因而可以达到与基体较好的润湿效果。

由本实施方式的TCO/Cu电接触材料制备的触头在CJ40-63接触器AC4工作制下的寿命值为40000次，而由现有TCO/Cu电接触材料制备的触头的寿命值仅为10000～12600次。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由8％的铝掺杂氧化锌，0.0045％的镧，0.15％的锆和余量的铜制成。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由8％的镓掺杂氧化锌，0.0045％的镧，0.15％的锆和余量的铜制成。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由8％的锑掺杂氧化锡，0.0045％的镧，0.15％的锆和余量的铜制成。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由8％的钼掺杂氧化锡，0.0045％的镧，0.15％的锆和余量的铜制成。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由10％的锡酸锌，0.007％的镧，0.25％的锆和余量的铜制成。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由10％的锡酸镉，0.007％的镧，0.25％的锆和余量的铜制成。其它与具体实施方式一至六之一相同。

通过以下试验验证本发明的有益效果：

试验1：

本试验分为试验组和对照组。

试验组1的TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由8％的铝掺杂氧化锌，0.0045％的镧，0.15％的锆和余量的铜制成；其中铝掺杂氧化锌中铝的掺杂量为0.2％。

试验组2的TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由8％的镓掺杂氧化锌，0.0045％的镧，0.15％的锆和余量的铜制成；其中镓掺杂氧化锌中镓的掺杂量为0.05％。

试验组3的TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由8％的锑掺杂氧化锡，0.0045％的镧，0.15％的锆和余量的铜制成；其中锑掺杂氧化锡中锑的掺杂量为0.1％。

试验组4的TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由8％的钼掺杂氧化锡，0.0045％的镧，0.15％的锆和余量的铜制成；其中钼掺杂氧化锡中钼的掺杂量为0.02％。

试验组5的TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由10％的锡酸锌，0.007％的镧，0.25％的锆和余量的铜制成。

试验组6的TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由10％的锡酸镉，0.007％的镧，0.25％的锆和余量的铜制成。

对照组的电接触材料由铜-金刚石复合材料制成。

试验组的TCO/Cu电接触材料的制备方法为：将目标金属碎屑分别溶于硫酸，完全溶解后按照所需要比例和用量混合，然后置入铜合金粉末中，在80℃水浴条件下搅拌形成悬浊液；向悬浊液中滴入15％碳酸钠溶液，至悬浊液pH值为7.0后静置，得到沉淀物；、将沉淀物经蒸馏水洗涤后进行真空干燥，在氩气保护条件下进行煅烧，煅烧后过筛，得到混合粉末；然后冷压成型后进行烧结，烧结温度为900℃，烧结时间为3h，再进行挤压和轧制，即得试验组电接触材料。

对照组的电接触材料的制备方法为：将铜和金刚石粉末混合，冷压然后进行烧结，即得对照组电接触材料。

将试验组和对照组电接触材料制备成触头件，试验组触头件的性能指标如下：密度为8.4～8.75g/cm³；硬度为HB65～95；电阻率为2.1～2.6μΩ.cm。

按上述方法制备出的触头件与标准的触头标样在专用测试台架上进行对比实验，测试交流条件下的电磨损稳定性、出现工作层时触头表面的接触压降。详细数据列于表1之中。试验条件为：I＝30A，U＝380V，cosφ＝0.8，开/关循环次数为10000次。电压降为30次测试的平均值。电磨损量为触头对上磨损量的平均值。

表2中所列为表1中试验组3的触头件与对照组触头件在直流条件下的耐烧蚀性和物质转移量。试验条件为：I＝100A，U＝380V，开/关循环次数为10000次，(+)表示质量增加，(-)表示质量减少。由表中可见，本发明试验组的触头材料具有较高的耐电弧烧蚀性，工作面接触压降(即接触电阻)较低，直流条件下的电物质转移量极低。

表1交流条件下试验组和对照组的电磨损稳定性、出现工作层时触头表面的接触压降

	电磨损量g/百万次	接触压降mV
			试验组1	10.1	590
试验组2	9.6	640
			试验组3	9.2	680
试验组4	10.4	690
			试验组5	11.3	530
试验组6	11.5	630
			对照组	12.9	720

表2试验组与对照组直流条件下的物质转移量

AC4工作制下耐电弧烧蚀性对比试验的十次结果与上述结果一致。接通和分断参数相同：分断电流150A；分断电压380V；功率因数0.35；操作频率1200次/小时。寿命指标20000次。试验结果表明，用作对比的标样件寿命值仅能达到要求值的50～63％，而本发明所提供的样件的寿命值均达到20000次。由试验1可知，试验组的触头材料可提高电器开关的可靠性和使用寿命。

Claims

1.一种TCO/Cu电接触材料，其特征在于TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由4％～10％的透明导电氧化物A，0.004％～0.01％的镧，0.1％～0.2％的锆和余量的铜制成，或者是按质量百分比由6％～15％的透明导电氧化物B，0.005％～0.01％的镧，0.2％～0.3％的锆和余量的铜制成；其中透明导电氧化物A为铝掺杂氧化锌、镓掺杂氧化锌、锑掺杂氧化锡或钼掺杂氧化锡，透明导电氧化物B为锡酸锌或锡酸镉。

2.根据权利要求1所述的一种TCO/Cu电接触材料，其特征在于TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由8％的铝掺杂氧化锌，0.0045％的镧，0.15％的锆和余量的铜制成。

3.根据权利要求1所述的一种TCO/Cu电接触材料，其特征在于TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由8％的镓掺杂氧化锌，0.0045％的镧，0.15％的锆和余量的铜制成。

4.根据权利要求1所述的一种TCO/Cu电接触材料，其特征在于TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由8％的锑掺杂氧化锡，0.0045％的镧，0.15％的锆和余量的铜制成。

5.根据权利要求1所述的一种TCO/Cu电接触材料，其特征在于TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由8％的钼掺杂氧化锡，0.0045％的镧，0.15％的锆和余量的铜制成。

6.根据权利要求1所述的一种TCO/Cu电接触材料，其特征在于TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由10％的锡酸锌，0.007％的镧，0.25％的锆和余量的铜制成。

7.根据权利要求1所述的一种TCO/Cu电接触材料，其特征在于TCO/Cu电接触材料按质量百分比是由10％的锡酸镉，0.007％的镧，0.25％的锆和余量的铜制成。