高性能银基电接触材料

电触头广泛应用于各种电气设备中，如开关、插座、继电器、断路器、接触器、电动机等，其质量和性能对电气设备的性能和寿命有着重要的影响。“双碳”战略背景下，全球新能源和电气化加速发展，光伏、风电、电动汽车等领域对继电保护和控制等的要求不断提高，对高性能电接触材料提出日益严苛的要求。在此背景下，电触头材料市场规模复合增长率超过20%，对行业提供巨大的挑战和机遇。
Ag基电触头材料是中低压负载中应用最广的一类电触头材料。我国已是世界上最大的Ag基电触头材料生产国，但在高端市场上仍缺乏与国外企业（如日本田中贵金属集团等）产品竞争的实力。学术界关于增强相尺寸、体积分数和形貌等因素对Ag-SnO2和Ag-Ni电触头材料性能的影响尚无定论，关于材料的微结构设计缺乏理论指导。针对以上状况，本书具体介绍如下内容：
① 通过湿化学沉淀法制备不同形貌的SnO2增强相颗粒，系统考察pH值、温度、反应物浓度、反应时间和表面活性剂PVP等对SnC2O4前驱体形貌的影响，研究晶体生长机理，控制合成颗粒状、管状、棒状和针状四种不同形貌的SnO2增强相颗粒，为后续开展Ag-SnO2微结构调控提供基础。
② 采用柠檬酸辅助的非均匀沉淀法制备颗粒弥散强化的Ag-SnO2电触头材料，结合实验结果和理论计算，系统研究颗粒强化Ag-SnO2电触头材料中SnO2尺寸和体积分数与材料电导率和力学性能之间的关系。
③ 开展Ag-SnO2电触头材料增强相形貌调控和性能研究，系统考察SnO2和In2O3增强相形貌对Ag-SnO2电触头材料性能的影响，研究Ag-SnO2电触头材料的抗电弧侵蚀性能及其机制。
④ 以H2C2O4为沉淀剂，开展Ag-Ni电触头材料的化学沉淀制备，分析Ag+-Ni2+-C2O2-4-H2O中的沉淀配位情况，以此为指导控制合成两种不同形貌的Ag、Ni草酸盐前驱体，并分析前驱体晶体生长机制，研究前驱体的热分解特性，探究Ni形貌对Ag-Ni电触头材料的力学和电学性能影响，分析亚微米Ni强化Ag-Ni电触头材料的电弧特性和电弧侵蚀显微组织。
⑤ 采用包覆-烧结-大塑性变形方法制备纤维强化Ag-Ni电触头材料，研究Ag颗粒退火对烧结坯中Ni网连续性的影响，以及塑性变形中随真应变增大发生的Ni组织变化，分析纤维强化Ag-Ni电触头材料的抗电弧侵蚀性能及相关机制。
电接触是关系电力安全可靠的重要环节，因此本书适宜从事中低压电接触安全和银基电工材料以及相关专业的人士参考。
感谢东北大学孙旭东教授对本书研究内容和成果的指导，也感谢国家自然科学基金和福建省科技厅对项目研发和本书出版的支持，书中不足之处，请读者不吝赐教。

林智杰
2023年10月

林智杰，工学博士，福建理工大学材料科学与工程学院副教授，硕士生导师，福州市火炬创业导师，从事陶瓷与粉末冶金研究，特别是银基电子电工及其配套陶瓷材料生产关键技术研发，在相关领域主持和参与国家自然科学基金、福建省科技重大专项、福建省科技厅重点项目，福建省科技特派员后补助项目和企事业单位委托项目等多项，发表SCI论文10余篇，授权国家发明专利20余项，荣获2022年中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖，日内瓦国际发明奖等荣誉。

本书概述银基电接触材料的结构与性能，详细介绍了中低压负载中最常用的两种银基电接触材料（银氧化锡和银镍电接触材料）的显微组织设计、制备与性能表征。
本书适宜从事中低压电接触安全和银基电工材料以及相关专业的人士参考。

第1章绪论1
1.1电触头材料简介1
1.1.1电触头材料发展简史1
1.1.2Ag基电触头材料的类型2
1.2Ag-SnO2电触头材料微观结构调控9
1.2.1成分调控9
1.2.2显微组织调控11
1.3Ag-Ni电触头材料微观结构调控15
1.3.1Ni颗粒均匀弥散15
1.3.2纤维复合17

第2章SnO2形貌可控合成及其机理19
2.1合成方法20
2.1.1原料20
2.1.2工艺过程20
2.1.3分析21
2.2四种典型形貌SnC2O4前驱体的表征21
2.3SnC2O4前驱体生长维度的控制25
2.3.1混合方式对SnC2O4前驱体形貌的影响25
2.3.2反应时间对正滴合成SnC2O4前驱体形貌的影响26
2.4一维SnC2O4前驱体的尖端溶解现象28
2.4.1Sn2+和C2O2-4摩尔比对SnC2O4前驱体形貌的影响28
2.4.2时效时间对管状SnC2O4前驱体形貌的影响30
2.5实心棒状前驱体的尺寸和长径比控制31
2.5.1时效时间对棒状SnC2O4前驱体形貌的影响31
2.5.2反应温度对SnC2O4前驱体的形貌影响32
2.5.3反应pH值对SnC2O4前驱体形貌的影响34
2.6PVP对SnC2O4前驱体形貌影响35
2.6.1PVP添加量对SnC2O4前驱体的形貌影响35
2.6.2反应温度对针状SnC2O4前驱体生成的影响35
2.6.3时效时间对针状SnC2O4前驱体的形貌影响38
2.7SnC2O4前驱体晶体生长机理39
2.7.1SnC2O4分子的一维链状结构（一维形貌的形成）39
2.7.2SnC2O4分子链间的Sn—O键作用（四边形截面的形成）40
2.7.3Sn2+的配位平衡40
2.7.4PVP的作用41
2.8SnC2O4的热分解行为42

第3章颗粒强化Ag-SnO2电触头材料显微组织设计及性能45
3.1合成方法46
3.1.1原料46
3.1.2工艺过程47
3.1.3分析47
3.2有限元模拟50
3.2.1模型的建立50
3.2.2数据分析方法52
3.3柠檬酸辅助非均匀沉淀法制备Ag-SnO2复合粉体52
3.4SnO2尺寸对Ag-SnO2电触头材料显微组织及性能影响54
3.5SnO2体积分数对Ag-SnO2电触头材料显微组织及性能影响60
3.6SnO2对Ag-SnO2力学性能的影响规律62
3.6.1SnO2体积分数对力学性能影响63
3.6.2SnO2对Ag-SnO2电触头材料的直接强化作用64
3.6.3SnO2对Ag-SnO2电触头材料的间接强化作用66
3.6.4SnO2对Ag-SnO2电触头材料的混合强化作用70

第4章Ag-SnO2电触头材料增强相形貌调控与性能73
4.1合成方法74
4.1.1原料及工艺过程74
4.1.2分析74
4.2SnO2形貌对Ag-SnO2电触头材料显微组织及性能影响75
4.2.1SnO2形貌对Ag-SnO2电触头材料物相及显微组织影响75
4.2.2SnO2形貌对Ag-SnO2电触头材料物理性能影响76
4.2.3SnO2形貌对Ag-SnO2电触头材料的直流抗电弧特性影响78
4.3Ag-SnO2电触头材料的电弧侵蚀表面形貌特征及其形成机理83
4.3.1Ag-SnO2电触头材料的阴极电弧侵蚀表面形貌特征及其形成机理83
4.3.2Ag-SnO2电触头材料的阳极电弧侵蚀表面形貌特征及其形成机理88
4.4In2O3添加对Ag-SnO2电触头材料显微组织及性能影响91

第5章化学沉淀法制备Ag-Ni电触头材料97
5.1Ag+-Ni2+-C2O2-4-H2O体系沉淀-络合热力学分析98
5.1.1沉淀-络合平衡模型的建立98
5.1.2计算结果99
5.2合成方法100
5.2.1原料100
5.2.2工艺过程100
5.2.3分析101
5.3前驱体的成分和形貌分析102
5.4前驱体的热分解行为分析106
5.5Ag-Ni电触头材料显微组织与性能109
5.6Ag-Ni电触头材料的直流电弧特性114
5.6.1Ni形貌对Ag-Ni电触头材料直流电弧侵蚀特性的影响114
5.6.2Ag-Ni电触头材料的阴极电弧侵蚀表面形貌特征及其形成机理115
5.6.3Ag-Ni电触头材料的阳极电弧侵蚀表面形貌特征及其形成机理117

第6章包覆-烧结-大塑性变形法制备纤维强化Ag-Ni电触头材料120
6.1合成方法120
6.1.1原料120
6.1.2工艺过程121
6.1.3分析122
6.2Ag-Ni粉体122
6.3Ag颗粒热处理对Ag-Ni电触头材料烧结坯显微组织和性能影响124
6.4大塑性变形对Ag-Ni电触头材料显微组织与性能影响126
6.5纤维强化Ag-Ni电触头材料的直流抗电弧特性129

参考文献134