纳米晶CuCr25和AgSnO2触头电性能研究

摘要

电触头作为开关电器的核心部件，其电、热性能的改善与触头材料息息相关，故深入研究触头材料电性能对提升开关电器质量具有重要价值。纳米晶材料作为一种新兴电接触材料，目前对它的研究多集中在制备方法以及截流值、耐压水平的测试等方面，对其综合电性能的研究较少。与普通微晶材料相比，纳米晶材料在分断和闭合燃弧长短、长燃弧与触头熔焊的关系、抗熔焊能力、触头表面形貌、元素成分变化等电性能方面的表现是否更为优良，已有研究结果是否具有普遍适用性等仍需做深入探讨。
　　本文选取目前使用较为广泛、具有较好应用前景的纳米晶 CuCr25和 AgSnO2材料为研究对象，进行了两组电寿命对照实验，一是真空环境中42V/10A电压电流下纳米晶和微晶 CuCr25触头，二是真空和空气环境中28V/10A电压电流下纳米晶AgSnO2触头。利用直流稳压电源、触点模拟装置、真空罐等搭建实验主回路，利用采集卡、LABVIEW软件等搭建采集回路，记录触头电寿命周期内的电压、电流、拉压力等数据，并开展了触头表面微观形貌观测和微区能谱成分分析。
　　触头燃弧分析结果表明，纳米晶触头的分断和闭合燃弧时间均明显长于微晶触头；熔焊发生与燃弧时间长短之间的关系比较复杂，多个长燃弧可能造成熔焊，但稳定而低的燃弧时间也会造成熔焊的突然发生，即熔焊具有随机性和突发性。
　　触头表面形貌分析结果表明，材料都为一致性的从阴极转移到阳极，裂缝出现于所有触头阳极表面。真空中 CuCr25纳米晶触头阴极呈均匀水纹状，阳极熔融区呈松散颗粒挤压状；微晶触头阴极烧蚀相对集中，阳极熔融区呈液体喷溅状。纳米晶AgSnO2真空中触头阴极出现断层和熔渣，阳极有大量气泡；空气中触头阴极平滑，阳极有液体流动痕迹。触头表面微区能谱成分分析表明，真空中 CuCr25纳米晶触头熔融区 Cr含量相对稳定，微晶触头熔融区 Cr含量比例明显增大。真空和空气中纳米晶AgSnO2触头熔融区都出现了Ag和Sn元素的富集和偏析现象。
　　抗熔焊性能分析表明，真空中 CuCr25纳米晶触头的抗熔能力能明显优于微晶触头，纳米晶 AgSnO2触头空气中抗熔焊能力明显优于真空中。多数触头熔焊类型属于闭合熔焊，占总熔焊次数的75％；少数属于分离熔焊，占总熔焊次数的25%，且本实验分离熔焊全部发生于纳米晶触头上。同时利用 CCD相机、位移传感器等搭建了一套触头表面凸尖测试装置，分析了研究触头电寿命实验中触点表面凸尖长度、触头最小间距与操作次数之间的关系等。
　　本文多角度探究了纳米晶触头材料的电性能，研究成果对深入掌握纳米晶触头电性能，对纳米晶电触头材料的进一步改进和加快其工程应用具有重要参考价值和指导意义。

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1绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究概述

1.3本文主要研究内容

2纳米晶触头电性能研究方案

2.1纳米晶CuCr25和AgSnO2材料的制备和性能

2.2触头电寿命对比实验及电镜测试

2.3本章小结

3纳米晶CuCr25和AgSnO2触头燃弧时间特性研究

3.1分断燃弧时间结果及分析

3.2闭合燃弧时间结果及分析

3.3燃弧时间规律分析和讨论

3.4本章小结

4纳米晶CuCr25和AgSnO2触头表面劣化研究

4.1纳米晶和微晶CuCr25触头形貌特点及分析

4.2真空和空气中纳米晶AgSnO2触头形貌特点及分析

4.3触头表面元素成分分布规律研究

4.4本章小结

5纳米晶CuCr25和AgSnO2触头抗熔焊性能研究

5.1纳米晶/微晶CuCr25及真空/空气中AgSnO2触头抗熔焊结果

5.2闭合和分离熔焊的分析和探讨

5.3触头凸尖测试装置的设计

5.4本章小结

6总结与展望

6.1全文总结

6.2展望

致谢

参考文献

附录1 照片计算处理MATLAB程序代码（部分）

附录2 攻读硕士学位期间发表的论文