Ag-Ni-SnO2電接觸材料的制備及其耐電弧燒蝕性

游義博，王俊勃，郭 敏，劉松濤，楊敏鴿

(1.西安工程大學 材料工程學院，陜西 西安 710048；2.西安工程大學 環(huán)境與化學工程學院，陜西 西安 710048)

0 引 言

Ag基電接觸材料因具有良好的綜合性能而被廣泛應(yīng)用于中低壓電器中[1-4]。其中Ag-SnO2電接觸材料具有較好的抗熔焊性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性，但因其接觸電阻過高，易導(dǎo)致材料使用壽命下降[5-9]。Ag-Ni電接觸材料因“熔解沉淀效應(yīng)”而具有較強的抗材料轉(zhuǎn)移特性，但其抗熔焊性能較差[10-14]。為了制備一種綜合性能更為優(yōu)異的Ag基電接觸材料，文獻[15]根據(jù)Ag-SnO2及Ag-Ni電接觸材料之間具有較強的互補性，利用化學沉積工藝制備了Ag-Ni-SnO2電接觸材料，但制得的Ag-Ni-SnO2電接觸材料組織分散性較差，局部存在元素偏聚。因此，選取合適的制備工藝，得到組織分布均勻的Ag-Ni-SnO2電接觸材料成為研究重點。

研究發(fā)現(xiàn)，以CuO和La2O3為摻雜劑，采用高能球磨法制備摻雜SnO2粉體，可有效改善SnO2粉體的分散性[16]。因此，為了改善Ni和SnO2在Ag基體中的分布，本文以La2O3和CuO為添加劑，采用高能球磨工藝制備摻雜SnO2粉體，并以摻雜SnO2粉、Ni粉為原料，利用化學沉積工藝制備Ag-Ni-SnO2電接觸材料。

1 實 驗

1.1 原料與儀器

1.1.1 原料 氧化錫(SnO2，中國派尼化學試劑廠)；氧化銅(CuO，蘇州斌順化工有限公司)；氧化鑭(La2O3，天津市福晨化學試劑廠)；鎳(Ni，中國派尼化學試劑廠)；硝酸銀(AgNO3，天津市科密歐化學試劑有限公司)；乙醇(C2H5OH，天津市恒興化學試劑制造有限公司)；氨水(NH3，西安三浦化學試劑有限公司)；甲醛(HCHO，天津市天力化學試劑有限公司)；以上試劑均為分析純。

1.1.2 儀器 數(shù)字顯微硬度計(MH-3，上海恒一精密儀器公司)；X射線衍射儀(XRD-7000，日本島津儀器有限公司)；四探針測試儀(FT-330，寧波瑞柯偉業(yè)儀器有限公司)；高速擺陣球磨機(QM-3B，南京南大儀器廠)；冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Quanta-450-FEG，美國FEI公司)；粉末冶金密度分析儀(ET-120HM，北京儀特諾電子科技有限公司)。

1.2 摻雜SnO2粉體的制備

將SnO2、La2O3和CuO按比例放入QM-3B型高速擺陣球磨機罐體中[17]，球料質(zhì)量比為10∶1，以無水乙醇為助劑濕磨，高速球磨2 h，烘干，制備摻雜SnO2粉體。

1.3 Ag-Ni-SnO2電接觸材料的制備

首先，制備銀氨溶液；然后，在攪拌作用下，將Ni(300目)、摻雜SnO2粉體按照Ag∶Ni∶SnO2=8∶1∶1的質(zhì)量比放入銀氨溶液中，緩慢滴加甲醛還原溶液中的Ag單質(zhì)；反應(yīng)完成后烘干、洗滌、過濾，將反應(yīng)產(chǎn)物在200 MPa初壓，850 ℃保溫5 h，700 MPa復(fù)壓，制得Ag-Ni-SnO2電接觸材料。制備過程中化學沉積反應(yīng)過程如圖1所示。

圖 1 化學沉積反應(yīng)過程Fig.1 Process of chemical deposition reaction

1.4 表征及測試

1.4.1 SEM與EDS檢測 利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察制得的Ag-Ni-SnO2電接觸材料的微觀形貌；在加速電壓為20 kV，電流為8 mA條件下，使用能譜儀檢測材料中的化學元素。

1.4.2 XRD檢測 利用X射線衍射分析儀(XRD-7000)對Ag-Ni-SnO2電接觸材料的成分進行檢測，掃描范圍：10°～90°，掃描速度：10°/min。

1.4.3 物理性能測試 利用粉末冶金密度分析儀(ET-120HM)、維氏顯微硬度計(MH-3)、四探針測試儀(FT-330)測試并計算Ag-Ni-SnO2電接觸材料的密度、硬度及電阻率。

1.4.4 電性能測試 在10 A直流電下開閉1 000次，對Ag-Ni-SnO2電接觸材料進行耐電弧燒蝕性能實驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ag-Ni-SnO2電接觸材料物相結(jié)構(gòu)

圖2為化學沉積工藝制備的Ag-Ni-SnO2電接觸材料X射線衍射圖譜。由圖2可得，制得的電接觸材料由Ag、Ni、SnO2的衍射峰組成，未出現(xiàn)其他物質(zhì)衍射峰，說明利用化學沉積工藝成功制備了Ag-Ni-SnO2電接觸材料。

圖 2 Ag-Ni-SnO2電接觸材料XRD圖譜Fig.2 The XRD of Ag-Ni-SnO2 electrical contact materials

2.2 Ag-Ni-SnO2電接觸材料微觀形貌

圖3為制得的Ag-Ni-SnO2電接觸材料燒蝕前的SEM微觀形貌。由圖3(a)可看出，基體分布連續(xù)，且增強相在基體中的分布比較均勻，沒有出現(xiàn)單一元素的偏聚。由圖3(b)可見，利用化學沉積工藝制得的材料表面亮色位置主要為Ag基體，暗色位置主要為Ni和SnO2富集區(qū)，且兩者呈類球狀均勻分布于Ag基體中。在化學沉積反應(yīng)初始，Ni粉和摻雜SnO2粉在攪拌作用下均勻分散于銀氨溶液；反應(yīng)過程中，經(jīng)高能球磨后的摻雜SnO2粉體顆粒之間因經(jīng)過不斷地破碎、熔合、鑲嵌，顆粒間的比表面積逐漸增大，表面活性點隨之增多，使摻雜SnO2顆粒易于吸附在Ni顆粒表面。

(a) ×500 (b) ×5 000圖 3 化學沉積工藝制備Ag-Ni-SnO2電接觸 材料燒蝕前的SEM微觀形貌Fig.3 SEM morphology of Ag-Ni-SnO2 contact materials prepared by chemical deposition process before erosion

隨著還原劑的加入，溶液中Ag+被轉(zhuǎn)化為活性Ag單質(zhì)，并吸附于Ni與活性SnO2混合顆粒表面，而金屬Ag本身就具有催化活性，這就使還原出的單質(zhì)Ag不斷地在Ni與活性SnO2混合顆粒表面沉積[18]，最終形成Ag包裹的Ni與活性SnO2混合顆粒，有效阻止了Ni與活性SnO2顆粒的團聚。

2.3 Ag-Ni-SnO2電接觸材料物理性能

經(jīng)測試，Ag-Ni-SnO2電接觸材料的密度、相對密度、硬度及電阻率分別為8.59 g/cm3、87.47%、72.78 HV、3.47 μΩ/m。可以看出，材料的導(dǎo)電性較好，且與文獻[16]相比，化學沉積工藝制得的電接觸材料中Ni元素的引入能夠有效降低電接觸材料的硬度，可改善其加工性能，有利于工業(yè)化生產(chǎn)，但材料的相對密度較低，密實化工藝仍需進一步研究。

2.4 Ag-Ni-SnO2電接觸材料耐電弧燒蝕性能

將化學沉積工藝制得的Ag-Ni-SnO2電接觸材料在10 A直流電下開閉1 000次,進行耐電弧燒蝕性能測試，燒蝕測試后樣品微觀形貌如圖4所示。

圖 4 電弧燒蝕后材料微觀形貌Fig.4 Microstructure of materials after arc erosion

圖4中燒蝕后的Ag-Ni-SnO2電接觸材料表面高低不平，燒蝕中心區(qū)域存在少量空洞及顆粒狀物質(zhì)分布。在高溫電弧下，液態(tài)金屬比固態(tài)金屬對空氣的溶解度大，熔融狀態(tài)的Ag吸附了空氣中大量的氧氣，而Ag的冷卻速度快，熔融區(qū)在電弧熄滅時迅速冷卻固化，熔池中過飽和的空氣溢出，在材料表面出現(xiàn)空洞，Ag在電弧作用下產(chǎn)生噴濺，部分未溢出空氣隨Ag的冷卻在觸頭表面形成噴濺液滴。但材料表面沒有大量液態(tài)物質(zhì)出現(xiàn)，這是因為制得的Ag-Ni-SnO2電接觸材料中，Ni和SnO2混合后在Ag基體中呈均勻類球狀分布，對電子散射作用相對較弱，使電接觸材料減少了因電阻增大、溫度過高而產(chǎn)生的過度燒蝕及材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象[19]。

利用能譜儀(EDS)分別測試圖4中心區(qū)域c、邊緣區(qū)域d處成分，測試結(jié)果如圖5。圖5中Ag-Ni-SnO2電接觸材料燒蝕后中心區(qū)域c、邊緣區(qū)域d均由Ag、Ni、Sn、O元素組成，說明電弧燒蝕后，Ag-Ni-SnO2電接觸材料表面并未出現(xiàn)單一元素的偏聚，材料具備較好的耐電弧燒蝕性能。

(a) 區(qū)域c

圖6為Ag-Ni-SnO2電接觸材料燒蝕后的XRD圖譜。可以看出，制得的Ag-Ni-SnO2電接觸材料主要由Ag、Ni、SnO2組成，同時材料中出現(xiàn)了副產(chǎn)物NiO、SnO。

圖 6 Ag-Ni-SnO2電接觸材料燒蝕后XRD圖譜Fig.6 XRD spectrum of Ag-Ni-SnO2 electrical contact materials after arc erosion

NiO、SnO形成的原因可能是在化學沉積過程中，摻雜SnO2顆粒與Ni顆粒均勻分散在Ag基體中，在高溫燒結(jié)時，被Ag包覆的金屬Ni和摻雜SnO2顆粒彼此之間互相接觸，在界面接觸處發(fā)生氧化還原反應(yīng)，SnO2被部分Ni還原生成SnO，部分Ni被氧化生成NiO，這些生成的細小的NiO彌散分布在Ag基體中[20-21]。同時，La元素的添加能有效控制摻雜SnO2顆粒的長大和團聚，Cu元素增加了SnO2顆粒在Ag基體中的潤濕性，從而改善了摻雜SnO2顆粒、Ni顆粒與Ag基體的界面結(jié)合能力，可以有效提高電接觸材料的耐電弧燒蝕性能[22-23]。

3 結(jié) 論

1)化學沉積工藝制得的Ag-Ni-SnO2電接觸材料主要由Ag、Ni、SnO2組成，組織分布較為均勻，Ni和SnO2混合后在Ag基體中呈類球狀分布。

2)制得的電接觸材料具備較優(yōu)的電性能。其密度8.59 g/cm-3，相對密度87.47%，硬度72.78 HV，電阻率3.47 μΩ/m。

3)制得的電接觸材料表面沒有出現(xiàn)單一元素偏聚，部分Ni與SnO2發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成NiO，物相結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化。