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蚌埠学院材料与化学工程学院黄晓晨副教授在Ag基电接触材料领域取得新进展

已有 1314 次阅读 2024-7-25 11:01 |个人分类:JAC|系统分类:科研笔记

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Huang X, Li L, Ge J, et al. Investigation on the arc erosion performance of Ag-Ta2AlC composite under air conditions. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(3): 272-281. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220940

1、导读

在空气条件下研究Ag-Ta₂AlC复合材料的耐电弧烧蚀性能。Ta₂AlC的功函数为6.7192eV，高于常见增强相材料(如SnO₂、ZrO₂)。电弧在Ag-20vol.%Ag-Ta₂AlC材料表面集中烧蚀。当Ta₂AlC含量增加至30%和40%时，电弧呈分散分布。Ag-30vol.% Ta₂AlC的电弧能量最低（3.395 kJ），烧蚀时间最短（33.26ms），Ag-30vol.% Ta₂AlC表现出更为优异的耐电弧烧蚀性能。烧蚀后，材料表面有氧化物生成（Ag₂O、AgO、Ta₂O₅和Al₂O₃）。通过电磁力和等离子体流力的结合，表面形成喷溅和凸起的形貌，研究结果拓宽Ag-MAX作为电接触材料的应用范围。

2、研究背景

继电器中电触点材料的选择对其性能至关重要。电弧放电的特点是高温、热量和能量，电弧侵蚀接触电材料，造成凹坑、喷溅颗粒、成分变化和性能下降。传统银基电接触材料，如AgCdO和AgSnO₂，存在铬毒性或湿润性差和温度升高等问题。因此，有必要寻找一种新的增强相材料来代替CdO和 AgSnO₂材料。MAX相材料是一种以其良好的导电性而闻名的陶瓷材料。经过计算，Ta₂AlC的功函数较高，可以用作Ag基电接触材料的增强相。本研究通过热压烧结法制备了体积分数分别为10%，20%，30%和40%的Ag-Ta₂AlC复合材料。对不同成分的Ag-Ta₂AlC复合材料的耐电弧烧蚀性能进行了比较分析。观察并记录了Ag-Ta₂AlC复合材料的微观结构和化学变化。系统地解释了电弧烧蚀的机理和形貌形成原因。

3、文章亮点

1. 采用第一性原理计算出常见MAX相材料的功函数。

2. 从高压电器学角度解释电弧形成的过程。

3. 电磁力和等离子体流力是电弧烧蚀后Ag-Ta2AlC形貌形成的原因。

4、研究结果及结论

采用热压烧结法制备Ag-Ta2AlC复合材料，Ag- 10 vol.% Ta2AlC 复合材料的相对密度为 98.2%，导电率为0.141 MS/cm。随着 Ta2AlC 含量的增加，Ag-Ta2AlC 复合材料的相对密度逐渐降低，导电率逐渐降低。硬度最初上升，然后下降。Ag- 30 vol.% Ta₂AlC复合材料的硬度最高(97.4 HV)。

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经过10kV放电电压烧蚀后，Ag-Ta₂AlC材料表面形成不同形貌。电弧Ag-20vol.% Ta₂AlC材料的表面呈现集中烧蚀，当Ta₂AlC含量增加至30%和40%时，电弧呈分散分布。Ag-30vol.% Ta₂AlC的电弧能量最低（3.395 kJ），烧蚀时间最短（33.26ms），Ag-30vol.% Ta₂AlC表现出更为优异的耐电弧烧蚀性能。

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在高能电弧作用下，Ag-Ta₂AlC材料发生分解，氧化形成氧化物。

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5、作者及研究团队简介

黄晓晨（通讯作者）

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蚌埠学院，材料与化学工程学院副教授，硕士生导师。2013年合肥工业大学本科毕业，2018年取得合肥工业大学博士学位。同年，入职蚌埠学院，主要从事滑动电接触材料的制备和性能研究，主持省级科学研究项目4项，横向课题1项。在Script Materialia，Journal of Advanced Ceramics, Materials Letters, Journal of Alloys and Compounds, Science China Technological Sciences和Ceramics International等国内外高水平期刊发表论文20余篇，授权国家发明专利4件。主持省级教学研究项目2项，获安徽省教学成果三等奖2项，指导学生主持国家级大学生创新创业项目2项。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。