W-Cu復合材料在不同電壓下的電弧燒蝕性能研究*

倪子楓，鳳 儀，趙 浩，周子玨，錢 剛，張競成

(1.合肥工業大學 材料科學與工程學院，合肥 230009；2.合肥工業大學 分析測試中心，合肥 230009))

0 引 言

開關作為電路的關鍵部位，它承載著電路接通，斷開的重要作用。在高壓斷路器中[1-2]，開關部位的閉合斷開會產生電弧，嚴重腐蝕電極材料，導致事故的發生，這就要求觸頭材料具備優良的導熱、導電、硬度、耐燒蝕等性能。W-Cu復合材料是由W和Cu復合而成的一種既不相溶也不反應的“假合金”，它同時具備W、Cu各自的特性，有著W的高熔點，低熱膨脹系數以及Cu良好的導電導熱等性能，因此，W-Cu復合材料在電接觸材料等領域有著廣泛的應用。

近些年來W-Cu復合材料的制備方法、性能與應用均受到廣泛的研究[3-5]。Dai等[6]在Cu顆粒上生長石墨烯，并通過化學氣相沉積(CVD)法制得W-Cu復合材料，

探究其機械性能及導電導熱性能；Tian等[7]利用熱壓燒結法制備出不同層數的W-Cu功能梯度材料，并對其微觀形貌及性能進行觀察與測試；文獻[8-9]中發現采用以Cu包覆W粉模式制備的W-Cu復合材料，其致密化程度，物理性能較為優異。但W-Cu復合材料在不同電壓下的電弧燒蝕性能研究還未見相關報道。

化學鍍Cu是一種水溶液自催化氧化還原反應[7]，無需外加電極與其他儀器，利用氧化還原反應即可制得組織均勻的高純度復合粉末[10]，化學鍍使W與Cu緊密結合，提高了W-Cu復合材料的界面結合強度與致密度。本文利用化學鍍的方法制得包覆完整的W-Cu復合粉末，隨后采用熱壓燒結法制得分布均勻、界面結合良好的W-Cu復合材料。在2、4、6和8 kV不同電壓下對W-Cu復合材料進行電弧燒蝕實驗，觀察W-Cu復合材料在不同的電壓下所產生的燒蝕形貌變化并分析燒蝕機理。

1 實 驗

1.1 化學鍍Cu實驗

將原始W粉(≥99.9%)放入強酸混合液(硝酸，氫氟酸)中進行酸化處理，再將處理后的W粉放入燒杯中，加入蒸餾水、絡合劑乙二胺四乙酸二鈉(EDTA 30-50g/L)以及穩定劑2-2聯吡啶(C10H8N2)，隨后將燒杯放入恒溫水浴鍋中，緩慢加熱至55-65℃，逐滴加入還原劑甲醛(HCHO 15-25g/L)，并添加氫氧化鈉(NaOH)使其pH值保持在11-13之間，用玻璃棒均勻攪拌。化學鍍時發生的反應如下：

Cu2++2CHOH-+4OH-→Cu↓+2CHOO-+H2↑+2H2O

(1)

化學鍍結束后用蒸餾水沖洗粉末2-3遍，后加入少量的無水乙醇溶液，放入恒溫箱中，在120℃下干燥3h，得到W-Cu復合粉末。我們對化學鍍Cu前后的粉末進行粒度分布對比，如圖1所示，發現圖像成正態分布，說明粉末大小均勻。在鍍液中，酸化后的W粉表面粗糙，布滿微孔、凹槽等缺陷。在還原劑甲醛的作用下，游離在鍍液中的Cu2+被還原成Cu粉，均勻包覆住W基體。因為Cu層的包覆作用，原始W粉粒徑增大。

圖1 原始W粉與W鍍銅粉末的粒度分布：(a)為原始W粉，(b)為W鍍Cu粉末

圖2(a)是掃描電子顯微鏡下的原始W粉狀態，從圖中可見晶體大小均勻，表面光滑平整。圖2(b)是化學鍍Cu后粉末的微觀形態，可以很清楚的觀察到，W粉化學鍍后粒徑增大，表面也由光滑變得粗糙，Cu粉完整鍍覆在W粉上，達到了化學鍍的理想效果。

圖2 原始W粉和化學鍍銅后的粉末表面形貌(a)原始W粉(b)W鍍Cu粉末

1.2 W-Cu復合材料的制造

將化學鍍后的W-Cu復合粉末置于石墨模具中，放入真空熱壓燒結爐中，通入保護氣氛氬氣，在30 MPa壓力下以10 ℃/min速率加熱到1 050 ℃，并保溫1h，然后隨爐冷卻。燒結完成后將試樣從石墨模具中取出，打磨后拋光，直至表面光滑無劃痕，最后放入酒精中超聲30 min，以確保試樣表面無雜質殘留。圖3是制備的W-Cu30%(質量分數)的復合材料金相圖，其中淺色的是W組織，深色的是Cu組織，可以看出W與Cu表面結合緊密，W在Cu中均勻分布，Cu也形成了連續完整的網格狀結構，沒有偏聚現象發生。

圖3 W-Cu復合材料金相組織圖

表1是制備的W-Cu復合材料的物理性能，分別采用阿基米德法測量致密度，顯微維氏硬度計測量硬度，雙臂電橋法測量電導率，得到的性能如下:

表1 W-Cu復合材料物理性能

1.3 電弧燒蝕實驗

圖4為電弧燒蝕設備示意圖，本實驗中W棒作為陽極，W-Cu復合材料作為陰極，隨后利用穩壓電源在電極兩端分別加以2、4、6和8 kV的電壓。實驗時步進電機控制陰極以0.2 mm/min的速度緩慢向陽極移動，直至發生電弧放電。示波器(ADS1102CAL)記錄電弧的放電時間，擊穿電壓電流，放電距離等信息。

圖4 電弧燒蝕實驗設備圖

2 結果與討論

2.1 電壓對W-Cu復合材料燒蝕性能影響

圖5是不同電壓下的電流與時間曲線，說明了從起弧，電弧穩定燃燒，電弧熄滅的一系列過程。從圖5觀察到電流突然增至最大值，隨后電流下降直至消失，其最大值稱為擊穿電流。電弧燒蝕實驗時，電極相互靠近根據公式[11]：

圖5 W-Cu復合材料在不同電壓下的時間電流曲線(a)2 kV(b)4 kV(c)6 kV(d)8 kV

(2)

E、U、d分別代表擊穿強度，擊穿電壓，放電時電極之間距離。隨著距離的縮短，電場強度持續增加直至某一極限位置時產生電弧[12-15]，電離空氣產生離子，正離子與電子分別向陰極，陽極運動，金屬離子蒸汽離子共同維持燃燒，當離子濃度不足以維持燃燒的時候電弧熄滅。這個過程中，電弧從產生至熄滅的時間稱為燃弧時間。根據表2可以發現，電壓越大，擊穿電流越大，放電時電極距離越遠，擊穿強度越低，燃弧時間越長。根據公式：

表2 外加電壓對W-Cu復合材料擊穿電流、放電距離、擊穿強度、燃弧時間的影響

W=UIt

(3)

W代表電弧能量，U，I，t分別代表擊穿電壓，擊穿電流以及燃弧時間。擊穿強度代表了放電的難易程度[16]，電壓升高，電弧能量增大，材料更容易受到電弧影響，擊穿強度減小。電壓升高，高電壓匯集了更高的能量，空氣越容易被電離，電離出的離子濃度也越高[17-18]，所以發生放電時陰陽極之間距離也越大，燃弧時間也延長。

2.2 燒蝕區域的表面形貌表征及燒蝕機理分析

圖6是W-Cu復合材料在2、4、6和8 kV電壓下的燒蝕區域形貌圖。發現隨著電壓的升高，燒蝕區域以及燒蝕影響范圍變大。

圖7為W-Cu復合材料在2、4、6和8 kV電壓下的燒蝕區域三維形貌圖，發現燒蝕面積隨著負載電壓的增加而增加，這與圖6的結果一致。如圖7(a)(b)所示，2、4 kV時燒蝕區域呈圓形增長，形成圈層，熔化和噴射的區域均集中在燒蝕區域中心。如圖7(c)(d)所示，6、8 kV時燒蝕區域變的不規則，表面形成更多分散的飛濺粒子。圖中的顏色刻度用于表示試樣的高度，紅色代表凸起。紅色區域逐漸變大，意味著在更高的負載電壓下，燒蝕試 樣表面會形成更多的凸起2、4、6和8 kV的表面凸起的最高點分別72.56、75.52、83.08、88.53 μm，可見表面凸起的最高點也隨著電壓的增高而增高。

圖6 W-Cu復合材料在不同電壓下的燒蝕區域形貌圖像(a)2 kV(b)4 kV(c)6 kV(d)8 kV

圖7 W-Cu復合材料在不同電壓下的燒蝕區域三維形貌圖(a)2 kV(b)4 kV(c)6 kV(d)8 kV

圖8是W-Cu復合材料在2、4、6和8 kV電壓下的燒蝕區域微觀形貌圖。圖8(a)(b)中可見，2、4 kV燒蝕下試樣表面燒蝕程度較輕，只產生一些微小的孔洞與凸起。而圖8(c)(d)中，6、8 kV燒蝕下試樣燒蝕中心變化明顯，凹凸不平起伏十分嚴重，且燒蝕坑深度也是明顯加深。圖8(e)(f)能譜可以觀察到，圖8(a-d)中逐漸增多的顆粒狀物質是W。在高溫電弧的作用下，放電在材料表面發生，W基體耐壓，Cu的功函數較低[19]，所以電弧優先作用在Cu相上，熔沸點較低的Cu化為液體甚至是氣體。隨著電壓的升高，電弧所蘊含的能量增大，材料表面被侵蝕的更嚴重，Cu相的氧化與液化也更加劇烈，燒蝕中心區域的Cu也被濺射出去，保留在表面的W基體也越來越多，形成了凹凸不平的“火山口”形貌。

圖8 W-Cu復合材料在不同電壓下的燒蝕區域微觀形貌圖(a)2 kV(b)4 kV(c)6 kV(d)8 kV(e-f)目標區域的能譜圖

為了探究整體元素分布情況，我們對燒蝕區域進行面掃描。面掃描結果如圖9(b-c)所示，紅色的是Cu元素，綠色的是W元素。結果表明，Cu密集的分布在燒蝕區域外側，W基體則是分散均勻。實驗時高溫電弧作用于材料表面，引起Cu的融化，形成熔池，如圖10所示。在重力、電磁力等作用力的影響下，熔融的Cu向燒蝕區域外側噴濺[20]，隨后電弧快速熄滅，熔池凝固，最終在燒蝕區域外側形成了一條如圖12(d)所示的由凝固的Cu構成的分界帶。

圖9 W-Cu復合材料的(a)燒蝕中心圖像(b)Cu元素分布(c)W元素分布

圖10 熔池形成的示意圖

為了探究W,Cu是否被氧化，我們用拉曼光譜對燒蝕區域進行檢測，CuO的峰值存在于187、300、625和835 cm-1處，圖11(a-d)中各處的峰值均對應CuO(R060978)，說明了在不同電壓下，燒蝕區域的Cu均被氧化。

圖11 不同電壓下W-Cu復合材料燒蝕表面拉曼光譜圖(a)2 kV(b)4 kV(c)6 kV(d)8 kV

圖12(a)是燒蝕區域的液滴形貌圖，對液滴上一區域進行點掃描分析，結果如圖12(c)所示。發現液滴是由Cu與O組成，這是因為燒蝕實驗在空氣中進行，Cu與O反應生成CuO。本實驗中，電弧能量在8 kV電壓時最高，燒蝕區域受到最嚴重的破壞，電弧熄滅后熔池迅速冷卻，凝固時形成熱應力，導致圖12(b)所示微裂紋的產生。

圖12 W-Cu復合材料在(a)8 kV電壓下的液滴形貌(b)8 kV下的微裂紋形貌(c)目標區域能譜圖像(d)8 kV下的燒蝕邊界區域

3 結 論

(1)利用化學鍍技術在W表面完整鍍覆Cu，隨后采用熱壓燒結法制得具有優良性能的W-30Cu復合材料，相對密度為95.2%，維氏硬度為178.6 N/mm2，電導率為61.4%IACS。

(2)在燒蝕實驗中，電壓增大，擊穿電流增大，放電距離縮小，燃弧時間增長，擊穿強度降低。燒蝕面積及影響區域增大，表面凸起高度增加。材料燒蝕中心腐蝕的最嚴重，材料表面燒蝕后凹凸不平形成“火山口”狀。

(3)不同電壓下，燒蝕區域中均出現Cu的融化與飛濺，形成液滴，并向外濺射。銅在燒蝕區域的外側形成圈層和凸起，W因為耐高壓則較少受到電弧影響。2、4、6和8 kV電壓下材料表面燒蝕區均發現CuO，燒蝕過程中有氧化反應的發生。