隨著智能電網(wǎng)的應(yīng)用和電器使用量的增加,人們對(duì)有觸點(diǎn)開關(guān)電器的性能提出了更高的要求[1] 接觸器是電網(wǎng)的重要部件,對(duì)其電壽命和機(jī)械壽命的要求較高 接觸器接通時(shí)動(dòng)靜觸頭間的彈跳和振動(dòng),影響接觸器的通斷性能 因此,要求觸頭材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電和力學(xué)性能[2] Cu具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,W具有高硬度和抗熔焊[3,4] 因此,Cu-W復(fù)合材料廣泛用于制造觸頭,因此對(duì)其力學(xué)和電學(xué)性能的研究成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)[5~7]

Cu-W復(fù)合觸頭材料具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、抗壓縮性能以及耐燒蝕等特性[8,9] 冼愛平等[10]研究了Cr含量對(duì)Cu-Cr合金電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的影響,指出25%的Cr含量即可滿足對(duì)其電性能的要求 Lin等[11]研究了微觀結(jié)構(gòu)對(duì)電觸頭材料的影響,指出顆粒度的大小影響其硬度和電導(dǎo)率等物理性能 江平開等[12]的研究結(jié)果表明,導(dǎo)電粒子摻入到絕緣體中使其介電常數(shù)顯著提高,并引入形狀因子來表述非球形導(dǎo)電粒子 謝秉川等[13]研究了形狀因子等因素對(duì)納米半導(dǎo)體顆粒復(fù)合體介電特性的影響 曹偉產(chǎn)等[14~16]研究了Fe含量對(duì)Cu-W合金的組織及壓縮性能的影響,發(fā)現(xiàn)Fe含量、形狀和成分分布對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有重要的影響 提高Fe含量使復(fù)合材料的彈性模量和屈服強(qiáng)度有較大的提高 黃嘯宇基于有限元方法[17]分析了顆粒材料的體積分?jǐn)?shù)、顆粒粒徑對(duì)Cu-W復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)顆粒粒徑的影響最大 在上述結(jié)果的基礎(chǔ)上[18],許楊劍等提出孔洞因素增強(qiáng)顆粒對(duì)復(fù)合材料的作用,根據(jù)編程搭建二維RVE模型證明,孔洞缺陷降低基體力學(xué)性能的程度最大 羅嵐等[19]提出用顆粒形狀因子表征顆粒形狀,并推導(dǎo)了影響剪切模量的計(jì)算公式 Liu等[20] 測(cè)試了剪切波速度,發(fā)現(xiàn)隨著形狀因子圓度的降低小應(yīng)變剪切模量增大,并且影響效果隨著粒子的分級(jí)而變化 還有研究者發(fā)現(xiàn)[21],使用形狀因子表述顆粒樣貌時(shí)復(fù)合材料的楊氏模量和屈服應(yīng)力隨形狀因子的增大而增大 李宇燕等[22]進(jìn)行柱形結(jié)構(gòu)的靜態(tài)試驗(yàn),建立了力學(xué)特性與結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的模型,可預(yù)估形狀因子變化時(shí)的力-位移；對(duì)一些特殊材料的一維蠕變?cè)囼?yàn)發(fā)現(xiàn),顆粒的形狀因子隨著壓力載荷的增加明顯增大[23] 但是,以上研究側(cè)重于復(fù)合材料電學(xué)性能或力學(xué)性能的某一方面 有學(xué)者[24]用熔滲法制備具有微觀定向結(jié)構(gòu)Cu-W復(fù)合材料并與商用Cu-W復(fù)合材料的性能進(jìn)行了對(duì)比 結(jié)果表明,具有微觀定向結(jié)構(gòu)Cu-W復(fù)合材料在沿片層方向的導(dǎo)電特性和壓縮強(qiáng)度更高 這表明,調(diào)整有序骨架影響觸頭的性能,但是有序骨架排列規(guī)律對(duì)Cu-W復(fù)合材料電學(xué)和力學(xué)的影響及其機(jī)制尚不清楚 本文設(shè)計(jì)不同形狀的Cu-W復(fù)合電觸頭材料微觀定向結(jié)構(gòu),研究Cu、W排列分布規(guī)律與形狀尺寸對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)電性能及力學(xué)性能的影響及其機(jī)制

1 模型的建立1.1 Cu-W復(fù)合材料的模型

三角形、四邊形和六邊形結(jié)構(gòu),都是自然選擇或人類生活的產(chǎn)物,都具有一定的穩(wěn)定性 例如三角形斷面拱架能大幅度提高拼裝支架的穩(wěn)定性[25]；方竹中的四方體薄壁管結(jié)構(gòu)的抗擊穩(wěn)定性能很強(qiáng)[26]；蜂巢和某些動(dòng)物鱗片的六邊形結(jié)構(gòu),使其具有良好的機(jī)械性能[27] 本文將這三種結(jié)構(gòu)應(yīng)用到觸頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中 為了研究不同形狀微觀定向結(jié)構(gòu)對(duì)Cu-W復(fù)合材料電學(xué)性能和力學(xué)性能的影響,提出三角形、四邊形及六邊形三種骨架結(jié)構(gòu) 在x、y、z方向上分別取長(zhǎng)度為30 mm×30 mm×5 mm設(shè)計(jì)Cu-W合金的有序分布結(jié)構(gòu)模型,Cu、W體積比均為1∶1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)單元如圖1所示,其中金色部分代表Cu金屬,銀白色部分代表W金屬

圖1



圖1具有三角形、四邊形和六邊形形貌導(dǎo)電單元的Cu-W復(fù)合材料的有序排列

Fig.1Arrange orderly of Cu-W composites with triangular, quadrilateral and hexagonal conductive elements

1.2 電學(xué)數(shù)學(xué)模型

基于有效介質(zhì)方程(GEM方程)與導(dǎo)電通道理論,將三種骨架結(jié)構(gòu)導(dǎo)入COMSOL Multiphysics有限元軟件中,從上到下施加相同的電壓邊界條件仿真計(jì)算電流密度 根據(jù)電荷守恒定律,電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系為

E=-??

(1)

J=σE=σ??=1ρ??

(2)

式中 E為電場(chǎng)強(qiáng)度, φ為電勢(shì), σ為電導(dǎo)率, ρ為電導(dǎo)率的倒數(shù)(電阻率)

單位時(shí)間通過截面流出的電流,等于所包圍的體積中電荷的變化量

???J?dS=?dqdtdV

(3)

式中S為表面積,V為體積

???J?dS=???JdV

(4)

??J=?q?t

(5)

于是得到穩(wěn)態(tài)時(shí)方程

??-σ??=??-1ρ??=0

(6)

1.3 力學(xué)數(shù)學(xué)模型

使用AG-I500KN材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)直徑為6 mm、長(zhǎng)度為12 mm的兩組純銅棒和兩組純鎢棒在室溫下進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn),得到兩種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖2a,2b) 由圖2可見,純Cu的屈服應(yīng)力為240±30 MPa,純W的屈服應(yīng)力為1500±30 MPa 使用ABAQUS軟件根據(jù)有限元法分析材料的力學(xué)性能,將壓縮實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)作為材料屬性,進(jìn)行網(wǎng)格劃分將模型分為有限個(gè)離散單元,施加外加載荷和約束條件求解Cu-W復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變 根據(jù)Mises屈服準(zhǔn)則

圖2



圖2純Cu和純W的應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig.2Stress-strain curve of pure Cu (a) and pure W (b)

σ1-σ22+σ2-σ32+σ3-σ12=2σs2

(7)

式中 σ1、 σ2、 σ3為主應(yīng)力, σs為材料的屈服應(yīng)力

Mises等效應(yīng)力定義為

q=32SijSij

(8)

式中 Sij=σij+pδij, p為等效壓應(yīng)力, δij為偏應(yīng)力張量(反應(yīng)塑性變形形狀的變化)

應(yīng)變?yōu)?br>
ε=∫L0Lndll=lnLnL0

(9)

式中 L0為兩質(zhì)點(diǎn)初始距離, Ln為變形后的距離 由于壓縮實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的是名義應(yīng)力和名義應(yīng)變,將其轉(zhuǎn)化為真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變

εtrue=ln1+εnom

(10)

σtrue=σnom1+εnom

(11)

針對(duì)上述力學(xué)模型,本文定義并提出以下假設(shè)：

(1)賦值了兩種材料均為Cu、W,且不考慮Cu-W合金在高溫發(fā)生互溶和生成化合物 (2)假定各成分之間是致密的,不發(fā)生脫落 (3)忽略制備工藝不同對(duì)微觀模型結(jié)構(gòu)造成的差異,沒有雜質(zhì),每相晶粒尺寸取固定值 銅相與鎢相的體積比為1∶1

2 導(dǎo)電性能2.1 微觀定向結(jié)構(gòu)Cu-W復(fù)合材料的電流密度

文中所示的三角形、四邊形及六邊形微觀單元,其外觀形貌有顯著的差異,六邊形頂角角度最大,邊數(shù)最多,其次依次為四邊形和三角形 由圖3可見,結(jié)構(gòu)的不同使三角形微觀形貌導(dǎo)電單元的電流密度在三角形頂點(diǎn)附近分布不均勻,電流流通路徑的連續(xù)性差且通道細(xì)而窄；四邊形微觀形貌導(dǎo)電單元的電流密度分布非常均勻,電流流通路徑連續(xù),通道的寬度與四邊形導(dǎo)電單元的邊長(zhǎng)一致；六邊形微觀形貌導(dǎo)電單元的電流密度在Cu、W兩相接觸的頂點(diǎn)處分布不均勻,電流流通路徑整體上連續(xù) 由復(fù)合材料電流的走勢(shì)(圖4)可見,三角形導(dǎo)電單元的尖端較多,與相鄰的單元接觸不穩(wěn)定；而四邊形與六邊形導(dǎo)電單元比較平直,與周圍單元的接觸更加穩(wěn)定 相比之下,四邊形導(dǎo)電單元的電流走勢(shì)最穩(wěn)定且分布均勻,其次依次為六邊形和三角形導(dǎo)電單元

圖3



圖3三角形、四邊形、六邊形形貌導(dǎo)電單元的電流密度

Fig.3Current density diagram of triangular, quadrilateral and hexagonal conducting cells

圖4



圖4三角形、四邊形、六邊形形貌導(dǎo)電單元電流的走勢(shì)(整體以及局部放大圖)

Fig.4Current trend diagram of triangle, quadrilateral and hexagon conducting unit (overall and partial enlarged)

為進(jìn)一步說明幾種微觀定向結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的導(dǎo)電性能,計(jì)算了電流密度積分值(圖5) 由圖5可見,四邊形導(dǎo)電單元有序分布的電流值最大,其次依次為六邊形和三角形導(dǎo)電單元 以上結(jié)果表明,微觀定向結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)電性能有顯著的影響

圖5



圖5不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)電流密度的積分

Fig.5Current density integral of different internal struc-tures

2.2 微觀定向結(jié)構(gòu)Cu-W復(fù)合材料的電阻率

復(fù)合材料的簡(jiǎn)單電阻模型,如圖6所示[28],圖中虛線部分為低阻材料,被包圍在基體材料中間 這些立方體稱為單位立方體,構(gòu)成了整個(gè)復(fù)合材料,電阻是每立方單位的平均電阻 沿著圖中的虛線從頂部到底部的橫截面可將單位立方體分為頂部,中間和底部 頂部和底部是純基體材料,中間部分是覆蓋的環(huán)形低阻材料 本文研究的復(fù)合材料中,低阻材料為金屬Cu,基體材料為金屬W

圖6



圖6簡(jiǎn)化電阻單元模型

Fig.6Simplified resistance unit model

設(shè)基體材料的電阻率為 ρ1,低阻材料的電阻率為 ρ2,則復(fù)合材料的電阻率為

ρ=1-aρ1+aρ1ρ2a2ρ1+1-a2ρ2a=nm=1-1-K1-Vi1-A3

(12)

式中 ρ為復(fù)合材料電阻率, K為基體材料與增強(qiáng)材料合金化程度, Vi為增強(qiáng)材料體積百分?jǐn)?shù),孔隙率為 A 假定Cu-W合金之間不發(fā)生反應(yīng)且不計(jì)孔隙,則式中的 K和 A可忽略不計(jì),公式變?yōu)?br>
a=nm=Vi3=1-V13

(13)

式中 V1為基體材料占整體的體積百分比, a為里層與外層的長(zhǎng)度之比

本文研究的不同形貌導(dǎo)電單元復(fù)合材料,其 V/VS(邊框體積與整體體積的比值)分別為

VVs=23l-3ttl2

(14)

VVs=2l-ttl2

(15)

VVs=23lt-t23l2

(16)

式中 l為形狀單元的邊長(zhǎng),t/2為鎢骨架的厚度

式(14)、 式(15)和 式(16)依次對(duì)應(yīng)圖7中的三種形狀 本文以CuW70為例,即Cu、W體積比為1∶1,計(jì)算了不同形貌單元的電阻率 導(dǎo)電單元分別為三角形、四邊形和六邊形形貌時(shí),CuW70的電阻率分別為2.8、2.31和2.68 μΩ·cm 這表明,三角形微單元復(fù)合材料的電阻率最大,而四邊形微單元復(fù)合材料的電阻率最小

圖7



圖7三種形貌的單元電阻模型

Fig.7Cell resistance models of three kinds

為了保證復(fù)合材料中Cu與W的體積比相等,需要約束其長(zhǎng)度(l)和厚度(t)的尺寸 對(duì)于三角形形貌, l=3t；四邊形形貌, l=2.5t；六邊形形貌, l=2t 于是由 式(12)可得CuW70三種形狀導(dǎo)電單元的 a值分別為0.81、0.71、0.79 結(jié)合電阻率的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn), a值越小則電阻率越小,導(dǎo)電性能越好 如果互換材料類型,基體材料和低阻材料也調(diào)換,則根據(jù) 式(12)復(fù)合材料整體電阻率也隨之改變 因此,在微觀結(jié)構(gòu)相同的情況下互換材料,導(dǎo)電性能也發(fā)生一定的變化

2.3 形狀因子對(duì)導(dǎo)電性能的影響

本文用形狀因子

F=SWH

(17)

表征不同導(dǎo)電單元的形貌[29] 式中S為導(dǎo)電單元的投影面積,W為由導(dǎo)電單元構(gòu)成的外切矩形的寬,H為由導(dǎo)電單元構(gòu)成的外切矩形的高 單位面積的正三角形、正四邊形以及正六邊形微觀導(dǎo)電單元,如圖8所示,其W分別為1.52、1、1.24,H分別1.32、1、1.074 將其代入 式(17),可得形狀因子F分別約為0.5、1、0.751 單元形狀因子越是偏離1,其對(duì)球形偏離的程度越大[29]

圖8



圖8單位面積的三種結(jié)構(gòu)形狀因子示意圖

Fig.8Schematic diagram of three structural shape factors per unit area

對(duì)于Cu、W含量相同的復(fù)合材料,三種形狀中四邊形導(dǎo)電單元形狀因子為1,即具有較大的緊實(shí)度,而四邊形導(dǎo)電單元的孔隙更小,易形成團(tuán)簇,更易形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)通道,因此其導(dǎo)電性能也高于其他形貌 這表明,上述結(jié)果與有限元模擬結(jié)果的規(guī)律相同

3 力學(xué)性能3.1 微觀定向結(jié)構(gòu)Cu-W復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變

圖9給出了不同微觀定向結(jié)構(gòu)Cu-W復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變的有限元分析結(jié)果 由圖9可見,壓縮載荷施加到復(fù)合材料上方時(shí),金屬W具有較高的強(qiáng)度使其骨架承擔(dān)的應(yīng)力較大,但是幾乎沒有發(fā)生變形；而強(qiáng)度較低的金屬Cu承擔(dān)了大部分的變形,在復(fù)合材料邊緣尤為明顯 比較三種單元結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變分析結(jié)果(表1),可以發(fā)現(xiàn),在外載荷相同的條件下六邊形的應(yīng)力和應(yīng)變最小,三角形的應(yīng)力和應(yīng)變值最大 這表明,六邊形結(jié)構(gòu)復(fù)合材料可承受更大的外加載荷

圖9



圖9三角形、四邊形、六邊形的力傳導(dǎo)微元Cu-W復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

Fig.9Stress-strain cloud diagram of triangular, quadrilateral and hexagon force conduction micro element Cu-W composite

Table 1

表1

表1400 MPa應(yīng)力、應(yīng)變值

Table 1400 MPa stress and strain

400 MPa	Triangle	Quadrilateral	Hexagon
Stress/MPa	1.792×103	1.600×103	1.491×103
Strain/mm	1.416×10-2	1.353×10-2	1.312×10-2

3.2 微觀定向結(jié)構(gòu)對(duì)Cu-W復(fù)合材料斷裂強(qiáng)度的影響

復(fù)合材料的力學(xué)性能,為各組分的權(quán)重平均值 本文研究的Cu-W復(fù)合材料中,金屬W的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于金屬Cu,所以其強(qiáng)度主要決定于骨架W的強(qiáng)度 當(dāng)多孔骨架材料在軸向上受壓縮載荷時(shí),其斷裂應(yīng)力 σ為[30]

σ=12σyρρs=Cσyρρs

(18)

式中 ρ為多孔骨架材料密度, ρs實(shí)體材料密度, σy為實(shí)體材料的屈服強(qiáng)度

本文研究的三種微觀定向結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料,其骨架體積與復(fù)合材料體積的比值(V/VS)在 式(14)至(16)中給出 對(duì)于一定的質(zhì)量比,其斷裂應(yīng)力為：

三角形：

σ=Cσyl223l-3tt

(19)

四邊形：

σ=Cσyl22l-tt

(20)

六邊形：

σ=Cσy3l223l-tt

(21)

式中 σy是W的屈服強(qiáng)度, ρs為W的密度,C為常數(shù)

當(dāng)力傳導(dǎo)微元的邊長(zhǎng)和壁厚一定時(shí),可確定發(fā)生破壞性斷裂時(shí)的應(yīng)力 由 式(18)至(21)可推導(dǎo)出,六邊形骨架力傳導(dǎo)微元有序分布結(jié)構(gòu)的斷裂應(yīng)力最大,而三角形力傳導(dǎo)微元有序分布結(jié)構(gòu)的斷裂應(yīng)力最小 根據(jù)混合率,本文研究的三種微結(jié)構(gòu)Cu-W復(fù)合材料強(qiáng)度大小的排序?yàn)椋毫呅?gt;四邊形>三角形 需要指出,當(dāng)Cu、W體積比相同時(shí)進(jìn)行材料互換, 式(18)表明 ρ/ρs會(huì)發(fā)生變化,材料的斷裂應(yīng)力隨之改變 因此,在微觀結(jié)構(gòu)相同的條件下進(jìn)行材料類型互換,其力學(xué)特性隨之發(fā)生改變

3.3 單元形狀系數(shù)對(duì)Cu-W復(fù)合材料斷裂強(qiáng)度的影響

復(fù)合材料的形變特性與力傳導(dǎo)微元的形狀尺寸有關(guān),而形狀因子圓形度對(duì)力傳導(dǎo)微元的表征差異最顯著 用形狀因子圓形度

πRoundness=4πAP2

(22)

表征力傳導(dǎo)微元[31] 式中 Roundness為圓形度,A為力傳導(dǎo)微元面積,P為力傳導(dǎo)微元周長(zhǎng)

復(fù)合材料的圓形度越大,則力傳導(dǎo)微元越穩(wěn)定,不易發(fā)生變形；反之,圓形度較小,則力傳導(dǎo)微元形態(tài)上更加細(xì)長(zhǎng),越容易發(fā)生彎曲變形而失效[31] 由 式(22)可得,單位面積的三角形、四邊形以及六邊形的力傳導(dǎo)微元,其圓形度分別為0.604、0.785、0.908 當(dāng)含量和配比相同時(shí),六邊形力傳導(dǎo)微元的圓形度較大,在形態(tài)分布上更加緊湊密集 因此,與其他形狀的力傳導(dǎo)微元相比,六邊形力傳導(dǎo)微元的受力更均勻,在斷裂前能承受更高的應(yīng)力 以上分析表明,隨著力傳導(dǎo)微元圓形度的增大,復(fù)合材料的強(qiáng)度隨之提高

4 結(jié)論

(1) 微觀定向結(jié)構(gòu)Cu-W復(fù)合材料的電導(dǎo)率與導(dǎo)電單元的形狀因子F相關(guān) 其形狀因子由導(dǎo)電單元的投影面積與其外切矩形面積的比值決定,形狀因子F越偏離1導(dǎo)電通道連續(xù)性越差,不易形成團(tuán)簇使其導(dǎo)電性能較差

(2) 微觀定向結(jié)構(gòu)Cu-W復(fù)合材料的力學(xué)特性與其力傳導(dǎo)微元的形狀因子的圓度密切相關(guān),其值越小,力傳導(dǎo)微元在形態(tài)上越趨于細(xì)長(zhǎng),易發(fā)生彎曲變形,力傳導(dǎo)單元越不穩(wěn)定 在外加壓縮載荷相同的條件下,隨著力傳導(dǎo)微元圓度的增大這種復(fù)合材料的形變而減小,斷裂強(qiáng)度提高

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通過動(dòng)態(tài)電弧放電實(shí)驗(yàn)深入研究了Ag/10TAC觸頭材料的抗電弧侵蝕機(jī)理 不均勻的電弧侵蝕使Ag/10TAC觸頭表面產(chǎn)生未受侵蝕、過渡和侵蝕3個(gè)特征區(qū)域 Ag微結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成變化歸因于Ag熔化、氣化、吸收O₂、Ag-O蒸氣沉積和Ag-Al相互擴(kuò)散 電弧侵蝕過程中Ti₂AlC微結(jié)構(gòu)演變和氧化行為歸因于Ti₂AlC的快速“分解-氧化”過程 觸頭表面的結(jié)構(gòu)和功能變化導(dǎo)致了Ag/10TAC復(fù)合材料退化

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通過對(duì)近年來Cu-Cr合金制備技術(shù)的回顧,綜述了Cu-Cr合金制備技術(shù)的進(jìn)展 論述了該合金的化學(xué)成分及顯微組織對(duì)電性能的影響,包括Cr含量的影響、第三組元的影響、合金中雜質(zhì)的影響、Cr粒子宏觀分布的影響、Cr粒子尺寸的影響、合金致密度的影響、熱處理工藝的影響以及表面老煉處理的影響 介紹并分析了Cu-Cr合金的幾種主要制備工藝,包括粉末燒結(jié)法、熔滲法、電弧熔煉法、自耗電極法以及最近發(fā)展起來的低偏析熔鑄法；最后,對(duì)Cu-Cr合金進(jìn)一步發(fā)展方向,如發(fā)展熔鑄技術(shù)、Cr粒子細(xì)化、進(jìn)一步減少Cr含量以及添加第三組元等進(jìn)行了簡(jiǎn)要的討論

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