专利名称：一种TCO/Ag电接触材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电接触材料。
背景技术：
目前，低压电器用电触头材料主要是银基材料，即在银基体中添加弥散相制备的功能复合材料，主要包括Ag-MeO、Ag-C> Ag-Ni> Ag-W等四大类。这类材料可以保证低压电器在大气环境下的可靠服役，但同时消耗了大量的贵金属银。另外，目前综合性能最为优异的Ag-CdO材料，由于Cd的毒性很大，其应用在很大程度上受到限制。我国银资源缺乏，且银价格昂贵，因此开发节银环保电接触材料是现阶段低压电器用电触头材料发展的重要趋势和研究热点。目前国内外的最新研究成果表明，在Ag-MeO体系中,最有希望代替Ag-CdO材料的·是Ag-Sn02、Ag-ZnO类氧化物改性银基材料体系。但在实际应用中出现了以下几个方面问题(I)接触电阻不稳定。触头事前温升较好，但在电弧作用后会急剧下降，甚至出现不导通现象。(2)电寿命较低。与Ag-CdO材料相比，电寿命指标甚至出现数量级上的差异。(3)触头颜色不稳定。在制备工艺过程中，以及在服役过程中会出现发暗、发黑等颜色变化，影响产品的外在质量。这些问题的存在，使Ag-Sn02、Ag_Zn0类银基材料的无法满足接触器类长寿命电器和新型低接触压力高容量电器的要求，限制了其进一步的推广和应用。上述问题存在的主要原因在于，目前低压电器用Ag-MeO电接触材料设计没有考虑到第二相与基体之间的润湿性。具体说来，第二相选择上，研究者大都注重第二相的导电特性和抗烧蚀骨架作用，并没有对其与基体之间的润湿性开展研究。而润湿性对Ag-MeO触头的综合特性具有关键作用。如果银基体与第二相之间润湿性不好，首先影响到的是材料致密化程度，即难于获得低孔隙率致密材料。对于粉末冶金体来说，相对于无孔隙坯件，含2%孔隙率的坯件抗拉强度下降50%。其次，两相间润湿性差时，材料的第二相与基体之间相当于存在宏观缺陷，易于形成裂纹源。因而，这种第二相越弥散，材料抗损伤容限越低。第三，润湿性不良会导致接触稳定性下降。对应于Ag-SnO2材料的研究表明，由于SnO2等高稳定的氧化物与基体之间润湿性差，在熔池中难于弥散悬浮分布，从而逐步在触头表面富集，增大接触电阻，最终造成其制品温升过高及电寿命较低。因此，第二相与基体之间润湿性及其调控是低压电器用银基电接触材料设计的关键。综上所述，由于第二相与基体之间润湿性差直接导致银基电接触材料接触电阻高、自灭弧能力低及致密度难以调控的问题，导致影响电器的服役寿命和可靠性，使其难以无法满足接触器类长寿命电器的要求。
发明内容
本发明是要解决现有技术中由于第二相与基体之间润湿性差直接导致银基电接触材料接触电阻高、自灭弧能力低及致密度难以调控的问题，提供了一种TCO/Ag电接触材料。
一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由8°/Γ 5%透明导电氧化物Α、余量为银制成；或按照质量百分数由89Γ20%透明导电氧化物B、余量为银制成；其中透明导电氧化物A为铝掺杂氧化锌、镓掺杂氧化锌、锑掺杂氧化锡或钥掺杂氧化锡中的一种；透明导电氧化物B为锡酸锌或锡酸镉。一种TCO/Ag电接触材料的制备方法为在搅拌条件下，将目标金属分别溶于质量浓度为169Γ25%的硫酸中，得到金属硫酸盐溶液，按照电接触材料中各金属的质量百分数将各金属硫酸盐溶液混合；按照硫酸盐溶液中金属离子与质量浓度为15%的碳酸钠溶液中钠离子的物质的量之比为I :1，向硫酸盐溶液中加入质量浓度为15%的碳酸钠溶液，反应完全后静置、过滤，得到沉淀物；将沉淀物洗涤，真空干燥，再在温度为720V -860°C条件下煅烧2h，冷却至室温过筛，得到混合粉末；将混合粉末压制成坯料，再在温度为860°C -930°C条件下烧结2tT4h，再采用热挤压变形工艺加工，得到一种TCO/Ag电接触材料。本发明的有益效果是(1)接触电阻低且稳定。研究表明，ZnO、SnO2等氧化物在 纯态的导电性很差，经过掺杂或复合后，其导电性会大大提高，电阻率可以提高到IO-4Qcm的量级，从而可以在触头表面及工作层中起到接触导通的作用。由于第二相组元良好的导电性，即使其含量较高的情况下也不会降低材料的导电性，不会提高接触电阻。同时，由于TCO不会与大气环境介质发生进一步反应，从而可以保持接触状态的稳定。(2 )自灭弧能力提高。Sn02、ZnO等纯态氧化物稳定性很高(熔点均为2000K以上)，在服役过程中的焦耳热和电弧的作用下不易气化和挥发。而经复合或掺杂后的透明导电氧化物(例如SnO2 ·Μο03)在1494Κ的饱和蒸汽压可达l(T3atm.,并生成(SnO)n ·Μο03+复合离子结构,其在电弧作用下的生成和进一步分解都会吸收能量，使电弧阴极斑点在触头表面移动速度的提高，并缩短燃弧时间，从而起到自灭弧的作用，降低电磨损。(3)界面润湿性的改善。对于Ag-MeO触头材料的研究表明，通过添加Bi203、TeO2, WO3> MoO3等添加剂的使用极大地改善了 Ag-SnO2的接触特性，使其应用上了一个新的台阶。在高温条件下，添加剂与第二相发生反应，生成生成如Bi2Sn207、Ag2Mo04、AgSb03等新的物相而改善了润湿性。透明导电氧化物的复合和掺杂所生成的物相也具有上述特性，因而可以达到与基体较好的润湿效果。本发明制成的TCO/Ag电接触材料电阻率为2. O μ Ω · cm^2. 3 μ Ω · cm，第二相与基体之间有良好的润湿性，并且自灭弧能力提高，使电器寿命延长；本发明制成的电接触材料制备出的触头件，可满足接触器类长寿命电器的技术要求。本发明制成的TCO/Ag电接触材料，可用于电磁轨道炮导轨及高速列车受电弓滑板强电弧烧蚀环境电能转换装置电接触元件方面的制造。
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举的
具体实施方式
，还包括各
具体实施方式
之间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由8% 15%透明导电氧化物A、余量为银制成；或按照质量百分数由89Γ20%透明导电氧化物B、余量为银制成；其中透明导电氧化物A为铝掺杂氧化锌、镓掺杂氧化锌、锑掺杂氧化锡或钥掺杂氧化锡中的一种；透明导电氧化物B为锡酸锌或锡酸镉。本实施方式的铝掺杂氧化锌中铝的掺杂量为任意值；镓掺杂氧化锌中镓的掺杂量为任意值；锑掺杂氧化锡中锑的掺杂量为任意值；钥掺杂氧化锡中钥的掺杂量为任意值。本实施方式的有益效果是(1)接触电阻低且稳定。研究表明，ZnO、SnO2等氧化物在纯态的导电性很差，经过掺杂或复合后，其导电性会大大提高，电阻率可以提高到10_4Qcm的量级，从而可以在触头表面及工作层中起到接触导通的作用。由于第二相组元良好的导电性，即使其含量较高的情况下也不会降低材料的导电性，不会提高接触电阻。同时，由于TCO不会与大气环境介质发生进一步反应，从而可以保持接触状态的稳定。(2)自灭弧能力提高。Sn02、ZnO等纯态氧化物稳定性很高(熔点均为2000K以上)，在服役过程中的焦耳热和电弧的作用下不易气化和挥发。而经复合或掺杂后的透明导电氧化物(例如SnO2 · MoO3)在1494K的饱和蒸汽压可达l(T3atm.,并生成(SnO)n · MoO3+复合离子结构，其在电弧作用下的生成和进一步分解都会吸收能量，使电弧阴极斑点在触头表面移动速度的提高，并缩短燃弧时间，从而起到自灭弧的作用，降低电磨损。(3)界面润湿性的改善。对于Ag-MeO触头材料的研究表明，通过添加Bi203、Te02、W03、Mo03等添加剂的使用极大地改善了Ag-SnO2的接触特性,使其应用上了一个新的台阶。在高温条件下，添加剂与第二相发生反应，生成生成如Bi2Sn207、Ag2Mo04、AgSbO3等新的物相而改善了润湿性。透明导电氧化物的 复合和掺杂所生成的物相也具有上述特性，因而可以达到与基体较好的润湿效果。
具体实施方式
二 本实施方式与
具体实施方式
一不同的是一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由109Γ12%铝掺杂氧化锌、余量为银制成。其它与
具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与
具体实施方式
一或二不同的是一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由109Γ12%镓掺杂氧化锌、余量为银制成。其它与
具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四本实施方式与
具体实施方式
一至三之一不同的是一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由109Γ12%锑掺杂氧化锡、余量为银制成。其它与具体实施方
式一至三之一相同。
具体实施方式
五本实施方式与
具体实施方式
一至四之一不同的是一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由109Γ12%钥掺杂氧化锡、余量为银制成。其它与
具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
六本实施方式与
具体实施方式
一至五之一不同的是一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由159Γ18%锡酸锌、余量为银制成。其它与
具体实施方式
一至五之一相同。
具体实施方式
七本实施方式与
具体实施方式
一至六之一不同的是一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由159Γ18%锡酸镉、余量为银制成。其它与
具体实施方式
一至六之一相同。采用以下实施例和对比实验验证验证本发明的有益效果实施例一本实施例一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由10%铝掺杂氧化锌、余量为银制成。本实施例制备TCO/Ag电接触材料的方法为在搅拌条件下，将铝、锌、银分别溶于质量浓度为16%的硫酸中，分别得到硫酸铝溶液、硫酸锌溶液和硫酸银溶液，按照质量百分数铝为O. 005%、锌为8%、银为90%将硫酸铝溶液、硫酸锌溶液和硫酸银溶液混合，得到硫酸盐溶液；按照硫酸盐溶液中金属离子与质量浓度为15%的碳酸钠溶液中钠离子的物质的量之比为I :1，向硫酸盐溶液中加入质量浓度为15%的碳酸钠溶液,反应完全后静置、过滤,得到沉淀物；将沉淀物洗涤，真空干燥，再在温度为800°C条件下煅烧2h，冷却至室温过筛，得到混合粉末；将混合粉末压制成坯料，再在温度为930°C条件下烧结4h，再采用热挤压变形工艺加工，得到TCO/Ag电接触材料。本实施例制成的TCO/Ag电接触材料制备出的触头件的密度为9. 63g/cm3,硬度为HB74,电阻率为 2. 11 μ Ω· cm。实施例二 本实施例一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由15%铝掺杂氧化锌、余量为银制成。
本实施例制成的TCO/Ag电接触材料制备出的触头件的密度为9. 72g/cm3,硬度为HB71，电阻率为 2. 04 μ Ω. cmo实施例三本实施例一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由10%镓掺杂氧化锌、余量为银制成。本实施例制成的TCO/Ag电接触材料制备出的触头件的密度为9. 70g/cm3,硬度为HB78,电阻率为 2. 07 μ Ω · cm。实施例四本实施例一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由15%镓掺杂氧化锌、余量为银制成。本实施例制成的TCO/Ag电接触材料制备出的触头件的密度为9. 69g/cm3,硬度为HB76,电阻率为 2. 10 μ Ω · cm。实施例五本实施例一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由10%锑掺杂氧化锡、余量为银制成。本实施例制成的TCO/Ag电接触材料制备出的触头件的密度为9. 79g/cm3,硬度为HB81，电阻率为 2. 03 μ Ω. cmo实施例六本实施例一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由15%锑掺杂氧化锡、余量为银制成。本实施例制成的TCO/Ag电接触材料制备出的触头件的密度为9. 74g/cm3，硬度为HB83,电阻率为 2. 15 μ Ω · cm。实施例七本实施例一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由10%钥掺杂氧化锡、余量为银制成。本实施例制成的TCO/Ag电接触材料制备出的触头件的密度为9. 72g/cm3,硬度为HB81，电阻率为 2. 06 μ Ω. cmo实施例八
本实施例一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由15%钥掺杂氧化锡、余量为银制成。本实施例制成的TCO/Ag电接触材料制备出的触头件的密度为9. 62g/cm3,硬度为HB65,电阻率为 2. 13 μ Ω · cm。实施例九本实施例一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由15%锡酸锌、余量为银制成。本实施例制成的TCO/Ag电接触材料制备出的触头件的密度为9. 74g/cm3,硬度为HB74,电阻率为 2. 01 μ Ω · cm。实施例十本实施例一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由20%锡酸锌、余量为银制成。
·
本实施例制成的TCO/Ag电接触材料制备出的触头件的密度为9. 71g/cm3,硬度为HB82,电阻率为 2. 17 μ Ω · cm。实施例^^一本实施例一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由15%锡酸镉、余量为银制成。本实施例制成的TCO/Ag电接触材料制备出的触头件的密度为9. 73g/cm3,硬度为HB69,电阻率为 2. 01 μ Ω · cm。实施例十二 本实施例一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由20%锡酸镉、余量为银制成。本实施例制成的TCO/Ag电接触材料制备出的触头件的密度为9. 72g/cm3,硬度为HB78,电阻率为 2. 04 μ Ω · cm。对比实验本对比实验一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由12%氧化镉、余量为银制成。本对比实验制成的TCO/Ag电接触材料制备出的触头件的密度为9. 8g/cm3,硬度为HB80,电阻率为 2. 11 μ Ω. cm。上述实施例和对比实验制备的电接触材料制备出的触头件与标准的触头标样在专用测试台架上进行对比测试实验，测试交流条件下的电磨损稳定性、出现工作层时触头表面的接触压降。测试数据列于表I之中，测试条件电流为30Α，电压为380V，cOS<p为0. 8，开/关循环次数为10000次。电压降为30次测试的平均值；电磨损量为触头对上磨损量的平均值。表I交流条件下电磨损稳定性和出现工作层时触头表面的接触压降
权利要求
1.一种TCO/Ag电接触材料，其特征在于一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由89Γ15%透明导电氧化物A、余量为银制成；或按照质量百分数由89Γ20%透明导电氧化物B、余量为银制成；其中透明导电氧化物A为铝掺杂氧化锌、镓掺杂氧化锌、锑掺杂氧化锡或钥掺杂氧化锡中的一种；透明导电氧化物B为锡酸锌或锡酸镉。
2.根据权利要求I所述的一种TCO/Ag电接触材料，其特征在于一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由109Γ12%铝掺杂氧化锌、余量为银制成。
3.根据权利要求2所述的一种TCO/Ag电接触材料，其特征在于一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由109Γ12%镓掺杂氧化锌、余量为银制成。
4.根据权利要求3所述的一种TCO/Ag电接触材料，其特征在于一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由109Γ12%锑掺杂氧化锡、余量为银制成。
5.根据权利要求4所述的一种TCO/Ag电接触材料，其特征在于一种TCO/Ag电接触材 料，按照质量百分数由109Γ12%钥掺杂氧化锡、余量为银制成。
6.根据权利要求5所述的一种TCO/Ag电接触材料，其特征在于一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由159Γ18%锡酸锌、余量为银制成。
7.根据权利要求6所述的一种TCO/Ag电接触材料，其特征在于一种TCO/Ag电接触材料，按照质量百分数由159Γ18%锡酸镉、余量为银制成。
全文摘要
一种TCO/Ag电接触材料，本发明涉及一种电接触材料。本发明是要解决现有技术中由于第二相与基体之间润湿性差直接导致银基电接触材料接触电阻高、自灭弧能力低及致密度难以调控的问题。本发明一种TCO/Ag电接触材料，由透明导电氧化物和银制成。本发明制成的TCO/Ag电接触材料电阻率为2.0μΩ.cm~2.3μΩ.cm，第二相与基体之间有良好的润湿性，并且自灭弧能力提高，使电器寿命延长；本发明制成的电接触材料制备出的触头件，可满足接触器类长寿命电器的技术要求。本发明制成的TCO/Ag电接触材料，可用于电磁轨道炮导轨及高速列车受电弓滑板强电弧烧蚀环境电能转换装置电接触元件方面的制造。
文档编号C22C5/06GK102912177SQ20121044286
公开日2013年2月6日 申请日期2012年11月8日 优先权日2012年11月8日
发明者邵文柱, 甄良, 徐成彦 申请人:哈尔滨工业大学