CN110596172A - 一种铜/钛铝碳金属陶瓷抗电弧烧蚀性能的评价方法 - Google Patents

一种铜/钛铝碳金属陶瓷抗电弧烧蚀性能的评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜/钛铝碳金属陶瓷抗电弧烧蚀性能的评价方法，控制电压分别为8kV、10kV，通过不同铜/钛铝碳金属陶瓷(Cu‑Ti3AlC2复合材料)抗电弧烧蚀性能的对比分析，设计出一种铜/钛铝碳金属陶瓷抗电弧烧蚀性能的评价方法。本发明通过对不同含量Ti3AlC2的Cu‑Ti3AlC2复合材料的电弧烧蚀性能的对比分析，并且采用场发射扫描显微镜和拉曼光谱对电弧烧蚀后的阴极和阳极的形貌和表面成分，从而更准确地评价铜/钛铝碳金属陶瓷的抗电弧烧蚀性能。

Description

一种铜/钛铝碳金属陶瓷抗电弧烧蚀性能的评价方法
技术领域
本发明属于复合材料领域，具体涉及一种铜/钛铝碳金属陶瓷抗电弧烧蚀性能的评价方法。
背景技术
在航空工业、宇航技术及核能工业用的电接触材料在通电基础上，需承载一定的载荷、经受摩擦磨损和电弧烧蚀影响。电刷、对磨环、接触器触头等等，这些零件对摩擦、电弧烧蚀、载荷量等有着非常高的要求。具有抗电弧烧蚀、耐摩擦磨损、超载荷性能的材料被设计出来并对其成分进行优化，达到材料最佳性能。这能解决航空工业、宇航技术及核能工业中摩擦、电弧烧蚀、载荷等诸多方面的问题。纯Cu的导电率为57142857s/m、导热率为397w/m℃、并且具有好的塑变性变形能力，但Cu的强度低耐电弧烧蚀性能不好。Ti3AlC2具有很好的抗电弧烧蚀性能，加入Ti3AlC2能最低程度的降低材料的导电率。由于Ti3AlC2熔点高且具有自润性、耐辐照性和抗电弧烧蚀，则随着材料导电率的降低其抗摩擦磨损性能会有大幅度提高。因此，可以需要设计出一种铜/钛铝碳金属陶瓷抗电弧烧蚀性能的评价方法，从而筛选出抗电弧烧蚀性能好的铜/钛铝碳金属陶瓷，以满足航空工业、宇航技术和核能工业需求。
发明内容
本发明采用控制变量的方法，控制电压分别为8kV、10kV，通过不同铜/钛铝碳金属陶瓷(Cu-Ti3AlC2复合材料)抗电弧烧蚀性能的对比分析，设计出一种铜/钛铝碳金属陶瓷抗电弧烧蚀性能的评价方法。
一种铜/钛铝碳金属陶瓷抗电弧烧蚀性能的评价方法，包括以下步骤：
(1)选取不同的Cu-Ti3AlC2复合材料作为阴极，以钨棒作为阳极，放电电压为8kV，使阴、阳两极以直线运动方式缓慢移动直至放电产生电弧后停止得到烧蚀后的阴极，使用场发射扫描显微镜观察烧蚀后阴极，选出表面无裂纹和孔洞产生的阴极，得到对应Cu-Ti3AlC2复合材料；
(2)将步骤(1)得到的对应Cu-Ti3AlC2复合材料作为阴极，以钨棒为阳极，放电电压为10kV，使阴、阳两极以直线运动方式缓慢移动直至放电产生电弧后停止得到烧蚀后的阴极，使用场发射扫描显微镜观察烧蚀后的阴极材料，选出表面无裂纹和孔洞产生的阴极，并得到阴极的对应阳极；
(3)使用场发射扫描显微镜和拉曼光谱对步骤(2)得到的对应阳极进行观察和分析，表面无变化且表面只能检测到二氧化钨的对应阳极对应的阴极，即为抗电弧烧蚀性能好的铜/钛铝碳金属陶瓷。
所述Cu-Ti3AlC2复合材料为热压烧结方法制备得到，所述Cu-Ti3AlC2的制备方法为采用Cu粉和Ti3AlC2粉末为原料粉，粉末粒度分别为300μm和200μm，分别称取一定质量的Cu粉和Ti3AlC2粉末，混粉后，放入热压炉中，设置烧结温度为850℃，保温30min，随炉冷却，即得到不同Ti3AlC2含量的Cu-Ti3AlC2复合材料。
所述步骤(1)中将Cu-Ti3AlC2复合材料切成10×10×3mm3的样品作为阴极，所述钨棒切割成10×10×6mm3的样品作为阳极。
所述步骤(1)和步骤(2)为在相对湿度为45％-65％，温度为15℃-25℃的大气环境下，使阴阳两极以直线运动方式缓慢移动直至放电产生电弧后停止得到烧蚀后的阴极。
本发明的有益效果是：
本发明提供的铜/钛铝碳金属陶瓷抗电弧烧蚀性能的评价方法，以Cu-Ti3AlC2作为阴极，以钨棒作为阳极，模拟放电电弧，分别控制电压分别为8kV、10kV，对不同Ti3AlC2含量的Cu-Ti3AlC2复合材料的电弧烧蚀性能的对比分析，并且采用场发射扫描显微镜和拉曼光谱对电弧烧蚀后的阴极和阳极的形貌和表面成分，从而更准确地评价铜/钛铝碳金属陶瓷的抗电弧烧蚀性能。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本实施例1-6所述的Cu-Ti3AlC2复合材料均采用热压烧结法制备得到，所述Cu-Ti3AlC2的制备方法为采用Cu粉和Ti3AlC2粉末为原料粉，粉末粒度分别为300μm和200μm，分别称取一定质量的Cu粉和Ti3AlC2粉末，混粉后，放入热压炉中，设置烧结温度为850℃，保温30min，随炉冷却，即得到不同Ti3AlC2含量的Cu-Ti3AlC2复合材料。
实施例1
Cu-Ti3AlC2复合材料中Ti3AlC2的含量为10％，实验所用阳极为高熔点的钨棒。通过线切割的方法将Cu-Ti3AlC2复合材料切成10×10×3mm3的阴极样品。阳极样品的尺寸为10×10×6mm3。
用丙酮溶液对Ti3AlC2含量为10％的阴极样品进行清洗，以除去样品表面油污。Ti3AlC2含量为10％的阴极样品经过200目、400目、600目、800目的砂纸打磨，打磨后的样品以及W棒经无水乙醇清洗，以除去样品表面的杂质。
在相对湿度为45％-65％，温度为15℃-25℃的大气环境下进行，调节放电电压为8kV，待电压稳定后，使Ti3AlC2含量为10％的阴极缓慢的向阳极运动直至放电产生电弧。对放电后的阴极样品使用场发射扫描电子显微镜对烧蚀表面形貌进行观察，可以观察到Ti3AlC2含量为10％的阴极样品表面无裂纹和孔洞产生。用示波器记录电弧的燃烧时间、击穿电流、放电距离。烧蚀过程中的击穿电流(Breakdown Current)在45A到50A之间波动。电弧寿命(Duration Time)保持在25ms左右。
再在相对湿度为45％-65％，温度为15℃-25℃的大气环境下进行，调节放电电压为10kV，待电压稳定后，使Ti3AlC2含量为10％的阴极缓慢的向阳极运动直至放电产生电弧。同样的对放电后的含Ti3AlC2为10％的阴极样品使用场发射扫描电子显微镜对烧蚀表面进行形貌观察。经10kV电压烧蚀后的阴极样品表面布满了裂纹且裂纹集中且有大量的孔洞产生。
上述结果说明Ti3AlC2含量为10％的Cu-Ti3AlC2复合材料的抗电弧烧蚀性能差。
实施例2
Cu-Ti3AlC2复合材料中Ti3AlC2的含量为15％，实验所用阳极为高熔点的钨棒。通过线切割的方法将Cu-Ti3AlC2复合材料切成10×10×3mm3的阴极样品。阳极样品的尺寸为10×10×6mm3。
用丙酮溶液对Ti3AlC2含量为15％的阴极样品进行清洗，以除去样品表面油污。Ti3AlC2含量为15％的阴极样品经过200目、400目、600目、800目的砂纸打磨，打磨后的样品以及W棒经无水乙醇清洗，以除去样品表面的杂质。
在相对湿度为45％-65％，温度为15℃-25℃的大气环境下进行，调节电压为8kV，待电压稳定后，使Ti3AlC2含量为15％的阴极缓慢的向阳极运动直至放电产生电弧。对放电后的阴极样品使用场发射扫描电子显微镜对烧蚀表面形貌进行观察，可以观察到Ti3AlC2含量为15％的阴极样品表面无裂纹和孔洞产生。用示波器记录电弧的燃烧时间、击穿电流、放电距离。烧蚀过程中的击穿电流(Breakdown Current)在45A到50A之间波动。电弧寿命(Duration Time)保持在25ms左右。
再在相对湿度为45％-65％，温度为15℃-25℃的大气环境下进行，调节电压为10kV，待电压稳定后，使Ti3AlC2含量为15％的阴极缓慢的向阳极运动直至放电产生电弧。同样的对放电后的含Ti3AlC2为15％的阴极样品使用场发射扫描电子显微镜对烧蚀表面进行形貌观察。经10kV电压烧蚀后的阴极样品表面也产生了许多裂纹且分布较为集中，同时也有部分孔洞产生。
上述结果说明Ti3AlC2含量为15％的Cu-Ti3AlC2复合材料的抗电弧烧蚀性能差。
实施例3
Cu-Ti3AlC2复合材料中Ti3AlC2的含量为20％，实验所用阳极为高熔点的钨棒。通过线切割的方法将Cu-Ti3AlC2复合材料切成10×10×3mm3的阴极样品。阳极样品的尺寸为10×10×6mm3。
用丙酮溶液对Ti3AlC2含量为20％的阴极样品进行清洗，以除去样品表面油污。Ti3AlC2含量为20％的阴极样品经过200目、400目、600目、800目的砂纸打磨，打磨后的样品以及W棒经无水乙醇清洗，以除去样品表面的杂质。
在相对湿度为45％-65％，温度为15℃-25℃的大气环境下进行，调节电压为8kV，待电压稳定后，使Ti3AlC2含量为20％的阴极缓慢的向阳极运动直至放电产生电弧。对放电后的样品使用场发射扫描电子显微镜对烧蚀表面进行形貌观察。可以观察到Ti3AlC2含量为20％的阴极样品表面无裂纹产生。用示波器记录电弧的燃烧时间、击穿电流、放电距离。烧蚀过程中的击穿电流(Breakdown Current)在45A到50A之间波动。电弧寿命(DurationTime)保持在25ms左右。
再在相对湿度为45％-65％，温度为15℃-25℃的大气环境下进行，调节电压为10kV，待电压稳定后，使Ti3AlC2含量为20％的阴极缓慢的向阳极运动直至放电产生电弧。同样的对放电后的含Ti2AlC3为20％的阴极样品使用场发射扫描电子显微镜和拉曼光谱对烧蚀表面进行形貌观察和成分分析，
使用场发射扫描电子显微镜观察，经10kV电压烧蚀后的阴极样品表面没发现裂纹和明显孔洞，烧蚀面积最为分散。
对以上烧蚀的阳极，使用场发射扫描电子显微镜和拉曼光谱对阳极表面进行形貌观察和成分分析，钨棒烧蚀表面没明显变化且只检测到WO2一种新物质，则阴极发生电弧烧蚀过程中没有发生喷溅。
上述结果说明Ti3AlC2含量为20％的Cu-Ti3AlC2复合材料具有很好的抗电弧烧蚀、耐摩擦磨损、超载荷以及好的塑性变形能力。因此，为一种满足航空工业、宇航技术和核能工业等多方面需求的优良材料。
实施例4
Cu-Ti3AlC2复合材料中Ti3AlC2的含量为25％，实验所用阳极为高熔点的钨棒。通过线切割的方法将Cu-Ti3AlC2复合材料切成10×10×3mm3的阴极样品。阳极样品的尺寸为10×10×6mm3。
用丙酮溶液对Ti3AlC2含量为25％的阴极样品进行清洗，以除去样品表面油污。Ti3AlC2含量为25％的阴极样品经过200目、400目、600目、800目的砂纸打磨，打磨后的样品以及W棒经无水乙醇清洗，以除去样品表面的杂质。在相对湿度为45％-65％，温度为15℃-25℃的大气环境下进行，调节电压为8kV，待电压稳定后，使Ti3AlC2含量为25％的阴极缓慢的向阳极运动直至放电产生电弧。
对放电后的阴极样品使用场发射扫描电子显微镜对烧蚀表面进行形貌观察。可以观察到Ti3AlC2含量为25％的阴极样品表面有裂纹产生，且裂纹是沿着Cu基和Ti3AlC2界面产生的。烧蚀过程中的击穿电流(Breakdown Current)在45A到50A之间波动。电弧寿命(Duration Time)保持在25ms左右。
上述结果说明Ti3AlC2含量为25％的Cu-Ti3AlC2复合材料的抗电弧烧蚀性能差。
实施例5
Cu-Ti3AlC2复合材料中Ti3AlC2的含量为30％，实验所用阳极为高熔点的钨棒。通过线切割的方法将Cu-Ti3AlC2复合材料切成10×10×3mm3的阴极样品。阳极样品的尺寸为10×10×6mm3。
用丙酮溶液对Ti3AlC2含量为30％的阴极样品进行清洗，以除去样品表面油污。Ti3AlC2含量为30％的阴极样品经过200目、400目、600目、800目的砂纸打磨，打磨后的样品以及钨棒经无水乙醇清洗，以除去样品表面的杂质。
在相对湿度为45％-65％，温度为15℃-25℃的大气环境下进行，调节电压为8kV，待电压稳定后，使Ti3AlC2含量为30％的阴极缓慢的向阳极运动直至放电产生电弧。对放电后的阴极样品使用场发射扫描电子显微镜对烧蚀表面进行形貌观察。可以观察到Ti3AlC2含量为30％的阴极样品表面不但产生裂纹，而且裂纹数量也随着Ti3AlC2含量的增加而增加。烧蚀过程中的击穿电流(Breakdown Current)在45A到50A之间波动。电弧寿命(DurationTime)保持在25ms左右。
上述结果说明Ti3AlC2含量为25％的Cu-Ti3AlC2复合材料的抗电弧烧蚀性能差。
实施例6.
Cu-Ti3AlC2复合材料中Ti3AlC2的含量为35％，实验所用阳极为高熔点的钨棒。通过线切割的方法将Cu-Ti3AlC2复合材料切成10×10×3mm3的阴极样品。阳极样品的尺寸为10×10×6mm3。
用丙酮溶液对Ti3AlC2含量为35％的阴极样品进行清洗，以除去样品表面油污。Ti3AlC2含量为35％的阴极样品经过200目、400目、600目、800目的砂纸打磨，打磨后的样品以及W棒经无水乙醇清洗，以除去样品表面的杂质。
在相对湿度为45％-65％，温度为15℃-25℃的大气环境下进行，调节电压为8kV，待电压稳定后，使Ti3AlC2含量为35％的阴极缓慢的向阳极运动直至放电产生电弧。对放电后的阴极样品使用场发射扫描电子显微镜对烧蚀表面进行形貌观察。可以观察到Ti3AlC2含量为35％的阴极样品表面裂纹已扩展到整个界面。烧蚀过程中的击穿电流(BreakdownCurrent)在45A到50A之间波动。电弧寿命(Duration Time)保持在25ms左右。
上述结果说明Ti3AlC2含量为35％的Cu-Ti3AlC2复合材料的抗电弧烧蚀性能差。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础；当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种铜/钛铝碳金属陶瓷抗电弧烧蚀性能的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取不同的Cu-Ti3AlC2复合材料作为阴极，以钨棒作为阳极，放电电压为8kV，使阴、阳两极以直线运动方式缓慢移动直至放电产生电弧后停止得到烧蚀后的阴极，使用场发射扫描显微镜观察烧蚀后阴极，选出表面无裂纹和孔洞产生的阴极，得到对应Cu-Ti3AlC2复合材料；
(2)将步骤(1)得到的对应Cu-Ti3AlC2复合材料作为阴极，以钨棒为阳极，放电电压为10kV，使阴、阳两极以直线运动方式缓慢移动直至放电产生电弧后停止得到烧蚀后的阴极，使用场发射扫描显微镜观察烧蚀后的阴极材料，选出表面无裂纹和孔洞产生的阴极，并得到阴极的对应阳极；
(3)使用场发射扫描显微镜和拉曼光谱对步骤(2)得到的对应阳极进行观察和分析，表面无变化且表面只能检测到二氧化钨的对应阳极所对应的阴极，即为抗电弧烧蚀性能好的铜/钛铝碳金属陶瓷。
2.如权利要求1所述的铜/钛铝碳金属陶瓷抗电弧烧蚀性能的评价方法，其特征在于，所述步骤(1)中Cu-Ti3AlC2复合材料为热压烧结方法制备得到。
3.如权利要求1所述的铜/钛铝碳金属陶瓷抗电弧烧蚀性能的评价方法，其特征在于，所述步骤(1)中将Cu-Ti3AlC2复合材料切成10×10×3mm3的样品作为阴极，所述钨棒切割成10×10×6mm3的样品作为阳极。
4.如权利要求1所述的铜/钛铝碳金属陶瓷抗电弧烧蚀性能的评价方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)为在相对湿度为45％-65％，温度为15℃-25℃的大气环境下，使阴阳两极以直线运动方式缓慢移动直至放电产生电弧后停止得到烧蚀后的阴极。
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