三元氧化物/銅電接觸材料相界面結(jié)合特性對(duì)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(zhǎng)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(rùn)濕性使其抗電弧燒蝕性能差。多年來(lái)，研究者通過(guò)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(rùn)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(duì)基于多年來(lái)對(duì)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(kāi)發(fā)了一種有望取代銀/氧化物的長(zhǎng)電壽命新型三元氧化物Zn2SnO4/Cu電接觸材料。通過(guò)第一性原理計(jì)算分析Zn2SnO4/Cu界面結(jié)合特性及其潤(rùn)濕機(jī)制，同時(shí)探討了在燒蝕過(guò)程中相界面潤(rùn)濕性對(duì)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(duì)其抗電弧燒蝕機(jī)制的影響。

本文利用第一性原理計(jì)算對(duì)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(zhǎng)（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(zhǎng)更短，更穩(wěn)定的Cu-O極性共價(jià)鍵（SnO2/Cu的Cu-O鍵為離子鍵），使Zn2SnO4/Cu的界面分離功更大。該計(jì)算研究從原子層面預(yù)測(cè)和解析了Zn2SnO4與Cu兩相優(yōu)異的潤(rùn)濕性，Zn2SnO4/Cu的潤(rùn)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(wàn)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(guò)SEM觀察燒蝕后Zn2SnO4/Cu電接觸材料表面發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)萬(wàn)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(rùn)濕性的提升，納米級(jí)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(lái)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(zhǎng)電接觸材料的使用壽命。

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