SnO2:Mn+/Ag复合材料设计及其电接触行为表征

作     者：孙一民 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邵文柱

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：SnO2/Ag复合材料 第一性原理 界面分离功 润湿性 电接触性能 

摘      要：电触头是电器开关的重要元件,起接通和分断电流的作用。目前应用最广的低压电接触材料为银基金属氧化物电接触材料(Me O/Ag),其中Cd O/Ag触头因为优异的电接触性能被誉为万能触头,但Cd O会分解出有毒的Cd蒸汽从而需被逐步取代。Sn O/Ag是一种替代Cd O/Ag的理想材料,但是由于第二相和金属基体之间较弱的润湿性导致了其电接触性能较差。目前通常采用复合改性和掺杂改性来提高Sn O与Ag之间的润湿性,其中应用和研究最广的是复合改性,而对掺杂改性的研究较少。为比较复合改性和掺杂改性对润湿性和电接触性能的影响规律,并对掺杂效应展开系统的研究,本文利用第一性原理,对不同元素掺杂Sn O/Ag界面进行了分离功计算以预测润湿性趋势,并分析了掺杂对界面结合强度的影响机理;同时以Cu O为例进行了复合改性的计算,进而比较复合和掺杂改性对界面结合强度的影响规律。基于计算结果,制备改性Sn O/Ag复合材料,通过致密化工艺获得高致密度Sn O/Ag电触头,研究了不同改性方法及元素掺杂对致密化以及电接触性能的影响规律及机理。利用第一性原理研究了Sn O/Ag界面结合强度。首先选择不同元素掺杂Sn O,研究了掺杂后Sn O/Ag的界面特性。随着掺杂元素电负性的降低,界面分离功呈递增趋势,界面处形成了更多的Ag-O键或平均键长减小,增强了Ag和O之间的结合力。机理分析结果表明,低电负性元素掺杂可以使Sn O形成空穴,促进电子转移,增大Ag-O键的共价键程度,从而增大界面结合强度,提高润湿性。接着通过添加Cu O,研究了Sn O/Cu O/Ag的界面特性。复合改性可以提高界面分离功,但又低于同种金属元素掺杂后的界面分离功,判断掺杂改性对润湿性的提高作用高于复合改性。基于第一性原理计算结果,使用共沉淀法和高温固相法制备了掺杂Sn O粉末,并通过致密化工艺的研究确定了最佳工艺:混粉工艺选择手动研磨,初压压力选择120 MPa,初烧温度和时间选择920℃和2 h,并通过1200 MPa的复压和860℃-2 h的复烧工艺进行了后续致密化处理,最终制得致密度为96%的Sn O/Ag电触头。致密化过程中强化烧结阶段的影响规律表明,掺杂改性对润湿性的提升效果高于复合改性,且润湿性随掺杂元素电负性的降低呈递增趋势。该结果与计算中对界面结合强度的研究结果相一致,意味着通过界面分离功的计算可实现掺杂Sn O/Ag润湿性趋势的预测。利用循环烧蚀实验研究了改性后Sn O/Ag触头的电接触性能。复合和掺杂改性皆可提升触头的电接触性能,但掺杂的提升效果更佳。且随着掺杂元素电负性的降低,电接触性能呈递增趋势。改性后Sn O/Ag触头表面Sn O的富集程度的分析表明,掺杂改性对润湿性的提升效果高于复合改性,且润湿性随掺杂元素电负性的降低呈递增趋势。该结果与第一性原理对Sn O/Ag界面润湿性的研究结果和强化烧结效果相一致,成功建立了第一性原理计算和电接触性能之间的联系,为银基电接触材料提供成分设计准则,并开发出综合性能优异的Sn O:Li/Ag电接触材料。