三元氧化物/銅電接觸材料相界面結(jié)合特性對抗電弧燒蝕機(jī)制的影響

電接觸材料是低壓電器中實(shí)現(xiàn)電路控制、保證電路安全的關(guān)鍵元件。其中，銀/氧化物電接觸材料被廣泛用于家電、工業(yè)制造、能源、軍工等諸多領(lǐng)域。為了降低日益增長的貴金屬Ag的使用，具有優(yōu)異導(dǎo)電性、低成本的銅/氧化物電接觸材料被認(rèn)為是最好的潛在替代者。然而，在電弧作用下，表面不可逆地形成不導(dǎo)通的氧化銅、氧化亞銅相，惡化了銅/氧化物電接觸材料的接觸電阻；銅與常規(guī)氧化物（SnO2，ZnO， CuO）較差的潤濕性使其抗電弧燒蝕性能差。多年來，研究者通過合金化延緩電弧燒蝕下Cu的氧化，摻雜改善氧化物與銅的潤濕性，提高了銅/氧化物電接觸材料的抗電弧燒蝕性能，但其電壽命仍然與銀基有較大差距。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的甄良團(tuán)隊基于多年來對三元氧化物化學(xué)合成的研究，依據(jù)高溫穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，開發(fā)了一種有望取代銀/氧化物的長電壽命新型三元氧化物Zn2SnO4/Cu電接觸材料。通過第一性原理計算分析Zn2SnO4/Cu界面結(jié)合特性及其潤濕機(jī)制，同時探討了在燒蝕過程中相界面潤濕性對第二相演變行為的影響，揭示了三元氧化物/銅電接觸材料相界面結(jié)合特性對其抗電弧燒蝕機(jī)制的影響。

本文利用第一性原理計算對比研究了SnO2/Cu和Zn2SnO4/Cu的界面分離功（0.32 eV/?2，0.64V/?2），界面鍵長（Cu-O： 1.926-1.941 ?，1.832-1.929?），差分電荷密度和態(tài)密度。結(jié)果表明，Zn2SnO4表面的O與Ag有更大程度的p-d軌道雜化，從而形成鍵長更短，更穩(wěn)定的Cu-O極性共價鍵（SnO2/Cu的Cu-O鍵為離子鍵），使Zn2SnO4/Cu的界面分離功更大。該計算研究從原子層面預(yù)測和解析了Zn2SnO4與Cu兩相優(yōu)異的潤濕性，Zn2SnO4/Cu的潤濕角為40~60°，而SnO2/Cu的為137~150°。

本文采用共沉淀法合成了尺寸為20-200 nm的準(zhǔn)球型Zn2SnO4粉體，隨后，采用高能球磨混合Cu與Zn2SnO4粉體，最后采用常規(guī)粉末冶金制得不同第二相含量（1，2，4 wt%）的Zn2SnO4/Cu電接觸材料。380V-20AAC的循環(huán)燒蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1萬次燒蝕后，Zn2SnO4/Cu接觸電阻低且穩(wěn)定（200 mΩ，SnO2/Cu-1.4*109mΩ），質(zhì)量損失大幅降低（6%，SnO2/Cu-20%）。

本文通過SEM觀察燒蝕后Zn2SnO4/Cu電接觸材料表面發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過萬次循環(huán)，三元氧化物Zn2SnO4仍細(xì)小彌散分布在Cu的晶界處；證明了由于潤濕性的提升，納米級Zn2SnO4在燒蝕作用下未出現(xiàn)常規(guī)氧化物在表面富集的現(xiàn)象，一方面杜絕了因非導(dǎo)電氧化物富集帶來的接觸電阻失穩(wěn)；另一方面，能在電弧致Cu熔池中起到穩(wěn)定熔池，減緩Cu溶液的飛濺，從而獲得優(yōu)異的抗電弧燒蝕性能，延長電接觸材料的使用壽命。

本文結(jié)合了第一性原理計算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了金屬與氧化物之間潤濕性對電接觸材料抗電弧燒蝕性能的影響機(jī)制，為開發(fā)長壽命銅基電接觸材料提供了一種有效的成分設(shè)計方法，并將對陶瓷/金屬基異質(zhì)界面的重要應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。