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Mo/Cu-Al_2O_3电接触材料的研究

孙永伟  
【摘要】:Mo/Cu-Al_2O_3复合材料综合了Cu高导电、高导热、优良的延展性及Mo高强度、高硬度、低膨胀系数等特征,广泛应用于开关电触头、点焊电极、电子封装材料及热沉材料等器件。近年来,Mo/Cu-Al_2O_3复合材料作为真空开关电触头材料的研究和应用日益受到人们的关注,其所拥有的优良综合性能及其成本廉价,成为最具发展潜质和使用前途的新型功能材料之一。 本文利用真空热压-内氧化烧结制备了不同钼含量的钼铜复合材料,探讨了其制备工艺及成品的基本性能,重点研究了Mo/Cu-Al_2O_3复合材料的热压缩变形行为,计算出材料的流变应力方程,基于动态材料模型(Dynamic Materials Model,DMM)绘制了复合材料的热加工图,为钼铜复合材料的实际热加工工艺的制定提供理论基础。同时,在载流条件下,对不同电流及载荷下Mo/Cu-Al_2O_3复合材料的摩擦磨损行为进行试验,并观察和分析了复合材料的磨损形貌,对其磨损机理进行了讨论和分析。 本文所研究的Mo/Cu-Al_2O_3复合材料,其制备烧结温度为950°C,压力为30MPa,真空度为1.5×10~(-2)Pa,保温时间为2h。真空热压-内氧化烧结制备的10%Mo/Cu-Al_2O_3、20%Mo/Cu-Al_2O_3、30%Mo/Cu-Al_2O_3复合材料组织均匀,致密度较高。本文对不同钼含量的钼铜复合材料的致密度、显微硬度、导电率及显微组织进行了测试及观察,分析了Mo含量对Mo/Cu-Al_2O_3复合材料组织及性能的影响,并探讨了复合材料烧结致密化过程。结果表明:Mo/Cu-Al_2O_3复合材料的制备过程中,其致密化途径主要以颗粒重排、塑性变形及滑移为主。钼颗粒的加入增加了复合材料整体的强度,内氧化生成的Al_2O_3颗粒弥散强化了铜基体,两者共同提高了复合材料的整体性能。10%Mo/Cu-Al_2O_3、20%Mo/Cu-Al_2O_3、30%Mo/Cu-Al_2O_3复合材料的致密度、显微硬度及导电率分别为:98.2%、99.3%、96.9%,120HV、140HV、154HV,48.8%IACS、46.1%IACS、43.9%IACS。 利用Gleeble-1500D热模拟实验机对三种钼铜复合材料进行单向热压缩试验,本文研究了10%Mo/Cu-Al_2O_3、20%Mo/Cu-Al_2O_3、30%Mo/Cu-Al_2O_3复合材料的流变应力-应变曲线,结果表明:Mo/Cu-Al_2O_3复合材料在热变形过程中主要以发生动态再结晶为主;应变速率和温度是影响动态再结晶的重要因素。钼的加入有利于再结晶核心在其表面的形成,同时也降低了材料的动态再结晶温度。根据流变应力、变形温度及应变速率的本构关系,求出了三种复合材料的本构方程,绘制出材料的DMM热加工图,并结合微观组织对复合材料进行了分析,进而得出了钼铜复合材料的最优热加工工艺。 在HST-100载流高速摩擦磨损试验机上对三种钼铜复合材料进行了摩擦磨损试验,并观察与分析了材料表面磨损形貌及次表面的显微组织。结果表明:Mo/Cu-Al_2O_3复合材料的摩擦系数及磨损率均随着电流和载荷的增加而增大;大电流下的磨损表面呈现出氧化硬质相及烧蚀坑两种形貌;复合材料的磨损机理主要以磨粒磨损、粘着磨损和电烧蚀为主。


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