纳米晶cucr25和agsno_2触头电性能研究

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分类号学号M201371168学校代码10487密级硕士学位论文纳米晶CuCr25和AgSnO2触头电性能研究学位申请人：刘金友学科专业：电气工程指导教师：李震彪教授答辩日期：2015年5月21日 AThesisSubmittedinPartialofFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringResearchOnElectricalPerformanceofNanocrystallineCuCr25andAgSnO2ContactCandidate:LiuJinyouMajor:ElectricalIngineeringSupervisor:Prof.LiZhenbiaoHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaMay21,2015 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。(请在以上方框内打“√”)学位论文作者签名：指导教师签名：年月日年月日 华中科技大学硕士学位论文摘要电触头作为开关电器的核心部件，其电、热性能的改善与触头材料息息相关，故深入研究触头材料电性能对提升开关电器质量具有重要价值。纳米晶材料作为一种新兴电接触材料，目前对它的研究多集中在制备方法以及截流值、耐压水平的测试等方面，对其综合电性能的研究较少。与普通微晶材料相比，纳米晶材料在分断和闭合燃弧长短、长燃弧与触头熔焊的关系、抗熔焊能力、触头表面形貌、元素成分变化等电性能方面的表现是否更为优良，已有研究结果是否具有普遍适用性等仍需做深入探讨。本文选取目前使用较为广泛、具有较好应用前景的纳米晶CuCr25和AgSnO2材料为研究对象，进行了两组电寿命对照实验，一是真空环境中42V/10A电压电流下纳米晶和微晶CuCr25触头，二是真空和空气环境中28V/10A电压电流下纳米晶AgSnO2触头。利用直流稳压电源、触点模拟装置、真空罐等搭建实验主回路，利用采集卡、LABVIEW软件等搭建采集回路，记录触头电寿命周期内的电压、电流、拉压力等数据，并开展了触头表面微观形貌观测和微区能谱成分分析。触头燃弧分析结果表明，纳米晶触头的分断和闭合燃弧时间均明显长于微晶触头；熔焊发生与燃弧时间长短之间的关系比较复杂，多个长燃弧可能造成熔焊，但稳定而低的燃弧时间也会造成熔焊的突然发生，即熔焊具有随机性和突发性。触头表面形貌分析结果表明，材料都为一致性的从阴极转移到阳极，裂缝出现于所有触头阳极表面。真空中CuCr25纳米晶触头阴极呈均匀水纹状，阳极熔融区呈松散颗粒挤压状；微晶触头阴极烧蚀相对集中，阳极熔融区呈液体喷溅状。纳米晶AgSnO2真空中触头阴极出现断层和熔渣，阳极有大量气泡；空气中触头阴极平滑，阳极有液体流动痕迹。触头表面微区能谱成分分析表明，真空中CuCr25纳米晶触头熔融区Cr含量相对稳定，微晶触头熔融区Cr含量比例明显增大。真空和空气中纳米晶AgSnO2触头熔融区都出现了Ag和Sn元素的富集和偏析现象。抗熔焊性能分析表明，真空中CuCr25纳米晶触头的抗熔能力能明显优于微晶触头，纳米晶AgSnO2触头空气中抗熔焊能力明显优于真空中。多数触头熔焊类型属于闭合熔焊，占总熔焊次数的75%；少数属于分离熔焊，占总熔焊次数的25%，且本实I 华中科技大学硕士学位论文验分离熔焊全部发生于纳米晶触头上。同时利用CCD相机、位移传感器等搭建了一套触头表面凸尖测试装置，分析了研究触头电寿命实验中触点表面凸尖长度、触头最小间距与操作次数之间的关系等。本文多角度探究了纳米晶触头材料的电性能，研究成果对深入掌握纳米晶触头电性能，对纳米晶电触头材料的进一步改进和加快其工程应用具有重要参考价值和指导意义。关键词：纳米晶材料，电性能，CuCr25，AgSnO2II 华中科技大学硕士学位论文AbstractContactisoneofthecorecomponentsoftheswitchingdevices.Theelectricalandthermalperformanceofthecontactareinfluencedbycontactmaterial,soresearchingthecontactmaterial’selectricalperformanceisquiteimportantforimprovingtheswitchingdevices.Asakindofnewly-developingmaterial,thenanocrystallinematerial,hasbeenknewlittleaboutitselectricalperformance,althoughtherearesomepapersonitspreparedmethod,choppingcurrent,withstandvoltageandsoon.Itisstillaquestionaboutwhetherthenano-contactisbetterthanmicro-contactonthebreakingandclosingarcduration,theanti-weldingability,thesurfacemicrostructureandthespectralcompositionvariationofthecontact,soitneedsdeepexploreaboutallthosementionedabove.Inordertoexplorethenano-material’selectricalperformance,thenano-CuCr25andnano-AgSnO2materialareselectedtobetheresearchingobjectsbeausetheyarewidelyusedandhavequitegoodapplyingprospect.Twoendurancetestswereset,oneisnanocrystallineandmicrocrystallineCuCr25contactundertheconditionof42V/10Ainvacuum,theotherisnanocrystallinenano-AgSnO2contactundertheconditionof28V/10Ainvacuumandair.Inthetests,thevoltage,currentandforcewaveformofthecontactsarerecordedandsaved.ThemaincircuitisdesignedwiththeequipmentsofDCstabilizedpowersupply,contactanalogdevice,vacuumdeviceandsoon,anddatacollectingcircuitisdesignedwiththeNIdataacquisitioncard,andLABVIEWsoftwareandsoon.Afterthetests,thecontactsareobservedofthesurfacemicrostructureandbeanalyzedofthespectralcomposition.Withanalyzingthearcdurationofthecontacts,itdemonstratesthatbothofthebreakingandclosingarcdurationofthenano-materialismuchlongerthanthatofmicro-material.Therelationshipbetweencontactweldingandbreakingarcdurationisquitecomplex,severalandagroupoflongbreakingarcmayresultincontactwelding,butweldingcanalsooccurrandomandsuddenlywithoutanylongbreakingarc.Aboutthedegradationofthecontacts,thesurfacemicrostructureoftheweldedcontactsdemonstratesthatthecrackappearsinallanodes,andmaterialtransferisalwaysfromcathodetoanode.InnanoandmicroCuCr25testinvacuum,theamountoftransfermaterialIII 华中科技大学硕士学位论文ofnano-contactsismuchmorethanthatofmicro-contacts.Forthenano-contact,thearcburninganderosionisquiteuniformonthecathode,andthemoltenzonemorphologyisparticlesstackingorextrusionshapedontheanode.Forthemicro-contact,thecathodeablationisrelativelyconcentrated,liquidsplashontheanode.Innano-AgSnO2testinvacuumandair,forthevacuum-contact,thereisfaulageandclinkeronthecathode,andlotsofbubbleontheanode.Fortheair-contact,thecathodeisquitesmooth,thetraceofliquidflowcanbeseenontheanode.ThenthespectralcompositionvariationshowsthattheCrcontentinmoltenzonesofmico-contactsissignificantlyincreased,whilethatofnano-contactskeeprelativelystablecomparedwithCrcontentinsmoothareas.ForAgSnO2contacts,theenrichmentandsegregationofbothAgandSnhavebeenobserved.Theanti-weldingabilityofnano-CuCr25contactsisbetterthanthatofmicro-CuCr25contacts,whiletheanti-weldingabilityofnano-AgSnO2contactsinairisbetterthanthatofnano-AgSnO2contactsinvacuum.Aproportionof75%closedweldingandaproportionof25%separatedweldingoccurredinthetests,andalloftheclosedweldingoccurredonthenano-contacts.Meanwhile,asetofspurmeasurementdeviceissetupwithCCDcamera,displacementsensorandsoon.Usingthedevice,therelationshipbetweenthespurlength,minmumdistanceofthecontactsandtheoperationnumberisanalyzed.Inthispaper,theelectricalperformanceofnano-materialshasbeenconcludedfromdifferentaspects.Theresearchachievementofthispaperishelpfultostudyfurtherofnano-material’selectricalperformance,itwillcontributetoimprovethenano-materialandcanspeeduptheprogressofitsengineeringapplication.Keywords:nanocrystallinematerial,electricalperformance,CuCr25,AgSnO2IV 华中科技大学硕士学位论文目录摘要................................................................................................................IAbstract.............................................................................................................III目录.................................................................................................................V1绪论.................................................................................................................11.1研究背景和意义..........................................................................................11.2国内外研究概述..........................................................................................11.3本文主要研究内容......................................................................................72纳米晶触头电性能研究方案.........................................................................82.1纳米晶CuCr25和AgSnO2材料的制备和性能.........................................82.2触头电寿命对比实验及电镜测试..............................................................92.3本章小结....................................................................................................123纳米晶CuCr25和AgSnO2触头燃弧时间特性研究..................................143.1分断燃弧时间结果及分析........................................................................143.2闭合燃弧时间结果及分析........................................................................233.3燃弧时间规律分析和讨论........................................................................313.4本章小结....................................................................................................334纳米晶CuCr25和AgSnO2触头表面劣化研究..........................................354.1纳米晶和微晶CuCr25触头形貌特点及分析.........................................354.2真空和空气中纳米晶AgSnO2触头形貌特点及分析.............................384.3触头表面元素成分分布规律研究............................................................414.4本章小结....................................................................................................455纳米晶CuCr25和AgSnO2触头抗熔焊性能研究......................................47V 华中科技大学硕士学位论文5.1纳米晶/微晶CuCr25及真空/空气中AgSnO2触头抗熔焊结果............475.2闭合和分离熔焊的分析和探讨................................................................485.3触头凸尖测试装置的设计........................................................................505.4本章小结....................................................................................................556总结与展望...................................................................................................566.1全文总结....................................................................................................566.2展望............................................................................................................57致谢..................................................................................................................58参考文献..........................................................................................................59附录1照片计算处理MATLAB程序代码（部分）.................................64附录2攻读硕士学位期间发表的论文........................................................66VI 华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1研究背景和意义触头作为开关电器的核心部件之一，其在开关操作过程中的电、热性能是衡量开关电器的重要指标。触头材料的优劣对触头电寿命、燃弧长短、抗侵蚀和抗熔焊能力[1][2]等性能的好坏又起到相当重要的作用，故对触头材料的研究具有重要意义。目前，对传统触头材料的研究已经相当深入，但传统触头材料的许多固有缺陷正制约着电触头向更优良性能发展。已有研究表明触头材料微观结构的改进有助于提高触头的电性能，触头材料成分晶粒的细化、超细化，对触头截流值、绝缘强度、耐压强度和高温[3]-[5]下的材料化学反应及其侵蚀特性都有一定改善作用，所以纳米晶技术在电接触材料的应用对改善传统触头材料固有缺陷的作用效果值得深入研究。目前市场上应用最多的低压开关电器为触头直接处于空气中的普通开关和真空开关设备。为保证触头材料化学和热稳定性、高导电性等性能，普通低压电器触头一般为Ag基材料。AgSnO2材料由于具有较好的抗熔焊、抗电弧侵蚀能力，且高温分解产物无毒害，从而成为Ag基材料AgMeO系中研究较多，具有较好应用前景的触头材[6][7]料之一。真空开关中，由于有真空环境起到隔离保护作用，同时Cu基材料价格便宜，导电性能也较为优良，所以真空开关电器中的触头多以Cu基材料为主。Cu基材[8]-[10]料中的CuCr系材料是目前真空断路器应用最多的触头材料，CuCr系中在分断能力、抗电弧侵蚀、耐压能力、导电性能和长期通流能力等综合性能表现较优的材料主[11]-[13]要是CuCr25和CuCr50材料。综上所述，对纳米晶材料电性能的研究是相当有必要的，它可能是突破传统触头材料制约的一个新的研究方向。结合实际工程应用需要，本文以纳米晶CuCr25和AgSnO2材料触头为研究对象，分别对比研究这两种纳米晶材料的综合电性能。1.2国内外研究概述目前，国内外专家学者已经对纳米晶触头电性能进行了一定研究，而CuCr系和AgMeO系纳米晶触头材料成为了研究的重点对象，相关研究成果如下所述。1 华中科技大学硕士学位论文1.2.1CuCr系纳米晶材料电性能研究进展对纳米晶CuCr触头电性能研究的前提是制造出良好组织性能的材料，目前制备细晶CuCr合金的方法有机械合金化法、高能球磨法、电弧熔炼法、雾化法以及等离[14][15]子喷涂法等，但这些方法多只能制备微米级别的CuCr合金，对于获得优质纳米[14]晶CuCr合金仍需要做新的探索。刘芳等把晶粒抑制剂加入到普通真空烧结法之中，通过这种改进机械合金化法制备得到纳米晶级别的CuCr材料。同样研究纳米晶材料[16]制备的机械合金化法，沈涛等重点关注制备中加入的乙醇量对合金性能的影响，实[15]验测试指出无水乙醇含量为15%时获得的CuCr合金较好。王亚平等利用高能球磨的方法得到纳米晶级的Cu和Cr混合粉末，经热压烧结后获得较高致密度和耐压强度[17]的纳米晶CuCr材料；同样采用高能球磨法，史昆玉等获得纳米晶级Cu-Cr过饱和固溶体粉末，并通过放电等离子体烧结法制备得到纳米晶CuCr5合金，其相对致密度达98.7%，硬度达213HV，电导率保持和普通非纳米晶合金相近的水平。[18][19]冯宇等用高等球磨——热压烧结法制备得到晶粒大小不足50nm的CuCr25和CuCr50合金，电实验结果显示纳米晶触头的截流值比普通触头大大降低（如下图1.1），纳米晶触头真空电弧稳定性能更好，造成其电弧烧蚀时间增加。由于饱和蒸汽[20][19]压与截流值和电弧稳定性密切相关，冯宇等通过理论分析和公式推导认为，纳米晶CuCr材料由于其晶粒半径大大减小从而提高了其饱和蒸汽压，降低了它的截流水平，但真空中电弧稳定性也有所增加。（a）纳米晶晶（b）粗晶[18]图1.1纳米晶和粗晶CuCr50截流值2 华中科技大学硕士学位论文[21]周飞宇等采用冷压烧结的方法获得纳米晶CuCr50材料，触头电实验结果表明纳米晶CuCr50触头的截流值比普通微晶触头要低，其在真空中的电弧具有较好的分散性，与普通CuCr50触头相比触头表面较为平滑（如图1.2（a））。ZhimaoYang等[22]对CuCr5材料的放电实验结果显示纳米晶材料的截流值远远低于普通材料，只有普[22]通CuCr5材料截流值的4/19。ZhimaoYang等利用高速摄像机深入探究了纳米晶CuCr5触头表面电弧运动规律，分析指出CuCr合金电弧起燃于介质弱项，即Cr相，当Cr粒尺寸大于电弧斑点半径（一般为1μm~10μm）时，则电弧运动受到限制，稳定的在起弧Cr粒处灼烧，在触头表面留下大的蚀坑。而纳米晶级的Cr粒半径小于电弧斑点半径，电弧变得容易熄灭并不断运动。指出纳米晶CuCr5触头上的电弧朝着某一方向大致呈直线运动（如图1.2（b）），一次起弧持续燃烧运动距离远（可达5.6mm）、时间长，速度快（可达45m/s，而微晶触头上电弧运动速度低于15m/s）。[21]（a）普通和纳米晶CuCr50触头电弧灼烧SEM照片[22]（b）普通和纳米晶CuCr5触头表面真空电弧运动轨迹图1.2普通和纳米晶材料触头表面电弧灼烧特点3 华中科技大学硕士学位论文[23]王亚平等针对CuCr材料，研究了其微观结构对电弧斑点运动的影响，发现电弧侵蚀主要集中发生在电压击穿弱项——Cr相周围，指出Cr粒大小和分布状况决定了电弧斑点的运动，细化Cr粒后的CuCr触头电弧斑点运动速度更快，且运动范围增[24][25]大。王亚平等研究发现了纳米晶晶触头真空电弧的一些运动分布特点，如由于纳米晶CuCr中Cr粒尺寸小于电弧斑点，Cr相分布均匀，所以阴极真空电弧斑点会由跳跃式变为连续式运动，电弧萌生由点发射变为面发射，电弧呈现分散出现的特点。[3][13][26]修士新等以及W.P.Li等研究总结了Cr成分占比与CuCr合金电性能的关系，并得到较为一致的结论，例如Cr含量降低有助于增大触头分断能力、防止电弧集聚和增加合金导电率；Cr含量在25%和30%时分断能力较大；Cr含量在50%时电[27]弧电压较低，Cr含量降低会导致触头腐蚀率增大。CAOHUI等研究了15%~29%Cr含量时CuCr合金耐压值，结果表明Cr含量的变化对CuCr合金耐压值影响不大。[28]瞿金蓉等利用热力学和表面化学有关理论对纳米晶粒径和纳米晶粒子熔点之间的关系做了理论分析，分别对Pb进行实验测试和理论计算，结果都表明纳米晶粒径越小则其比表面自由能越高，导致其块体的化学势较高，熔点和烧结温度则可大程度[29]降低。李凌梅等通过分析理论模型和开展验证实验后指出，金属纳米晶晶的热稳定性比普通微晶材料差。1.2.2AgMeO系纳米晶材料电性能研究进展[30]朱艳彩等总结了当前制作纳米晶AgMeO系材料的一些方法，其中包括有机械合金化法、化学共沉淀法、溶胶—凝胶法、化学法和水热法等，给出了其各自的优缺点和研究现状。对比了各种制备方法，提出水热法由于具有易于改变材料颗粒大小和形貌、制作花费少和操作简便等优点，从而在制作纳米晶AgMeO系材料方面值得深入研究，其具有很好的工业生产应用优势。[31]王俊勃等通过真空热压烧结工艺自制出了纳米晶AgSnO2电接触块体材料，SnO2材料尺寸达40nm左右，均匀填充在Ag基中。纳米晶AgSnO2触头电实验结果表明纳米晶触头电弧灼烧范围广，而普通触头电弧灼烧集中。纳米晶AgSnO2触头熔融区材料呈细小岛状熔渣，没有形成像普通材料触头熔融区内金属液飞溅形貌和熔池4 华中科技大学硕士学位论文痕迹，这是由于SnO2纳米晶微粒的表面效应增加了熔化金属材料的粘接能力，大大减少了金属液体的喷溅损失，同时弥散分布特性减小了临近SnO2颗粒间的距离，使电弧易于通过SnO2颗粒向周围运动，热量得到迅速扩散，电弧侵蚀面积增大而温度[32][31]和侵蚀程度降低。徐爱斌等使用与王俊勃等相同的手段自制得到AgSnO2纳米晶材料，与普通材料相比，电实验后纳米晶AgSnO2触头表面液体喷溅和裂痕现象不明显，耐电弧侵蚀能力提高。[33]JingqinWang等利用化学共沉淀法制备得到超细化AgSnO2+La2O3+Bi2O3合金材料，微观组织结构显示各添加氧化物均匀分布于Ag基中，实验结果显示超细化[34]AgSnO2+La2O3+Bi2O3合金比传统AgCdO触头温升少，电弧侵蚀量少。付翀等采用三种不同的方法制得纳米晶晶AgSnO2触头材料，与常规AgSnO2In2O3材料比较而言，纳米晶级的SnO2粒子能够更均匀的散布于材料中使其具有高电阻率、高硬度和低密度，以及偏低的耐压水平。耐电压和电弧侵蚀实验表明，纳米晶AgSnO2触头电弧分散性好，其烧蚀速率明显小于商用合金。[35]黄锡文等采用溶胶——凝胶包覆法制备得到SnO2平均粒径达到约80nm的纳米晶AgSnO2电触头材料，测试结果表明纳米晶AgSnO2块体比普通微晶块体在抗拉强度、硬度方面有所提高，但其拉断后的最大伸长能力稍有减弱，电阻率升高。电实[36]验结果表明纳米晶材料触头在抗熔焊能力和耐高温性能方面得到提升。刘想梅等采[35]用与黄锡文等相同方法自制获得SnO2-TiO2混合粉末，并采用重压和分级热保温处4+理法制备得到AgSnO2-TiO2合金材料，成功实现了把Ti掺入到二氧化锡中的想法，提升了材料电导率。[37][38]王尚君等采用化学镀法自制得到Ag和SnO2的纳米晶级混合粉，并利用常压、热压和真空烧结三种不同工艺制得纳米晶AgSnO2块体，研究了不同烧结工艺对纳米晶AgSnO2材料致密度的影响，指出纳米晶粉末表面存在吸附物是造成烧结致密度下降的根本原因。[39]朱艳彩等在用溶胶——凝胶法制备纳米晶AgSnO2块体时成功把Bi元素掺入合金中。电实验表明，同样是纳米晶AgSnO2块体，掺入Bi后的AgSnO2块体能够更好5 华中科技大学硕士学位论文的使Ag与SnO2相互接触结合，防止SnO2团聚和富集从而提升了AgSnO2合金导电性，更有利于触头抗熔焊以及耐电弧侵蚀。[40]郑冀等分别使用三种不同工艺制出纳米晶AgSnO2+TiO2触头材料。所制材料的测试结果表明化学镀法能够显著提高SnO2和TiO2触头与Ag之间的接触和结合能力，提升材料通电能力、机械加工性能等；机械混合法和溶胶凝胶法通过在材料中加[41]入TiO2，提升了材料导电能力，优化了材料电性能。郑冀等还对制备过程中退火工艺进行了分析探究，分析结果显示SnO2在Ag基中的均匀分布，不仅能减小SnO2对银基的割裂作用，而且能够避免SnO2富集引起接触电阻增加。1.2.3CuCr和AgMeO系纳米晶材料研究主要成绩如1.2.2和1.2.2节所述，国内外学者对纳米晶触头材料的研究已经取得一定成绩，可以大致归纳为以下几个方面：（1）纳米晶材料的制备工艺研究结果表明，目前用以制得纳米晶材料的工艺主要有机械合金化法、高能球磨法、电弧熔炼法、雾化法、化学共沉淀法、溶胶凝胶法和水热法等，通过使用这些方法分别制得了晶粒达到纳米晶级别的触头块材。通过向纳米晶AgSnO2中加入TiO2和Bi元素以增大Ag和SnO2浸润性，提高了其综合电性能。（2）纳米晶材料的实验测试发现纳米晶CuCr的截流值和耐压水平低于常规CuCr材料，纳米晶CuCr和AgSnO2的硬度都比普通材料大，但熔点有所降低。（3）纳米晶材料触头通电实验中，纳米晶触头表面的电弧呈现易运动、灼烧范围大而均匀的特点。其中，纳米晶AgSnO2材料比普通材料更能耐受电弧的灼烧，电性能得到很大提升。由以上结论可知，对纳米晶材料的现有研究多集中于纳米晶材料的制备工艺和物理性能参数的测试，一些文章涉及到截流、耐压和电弧运动电性能的研究分析，而很少有对纳米晶触头材料的燃弧特性、表面劣化、熔焊机理等重要电性能的报道，更缺乏相应的深入分析。6 华中科技大学硕士学位论文1.3本文主要研究内容本文总结了目前有关纳米晶CuCr系和AgMeO系触头材料的主要研究方向和研究方法、结论等。根据已有研究的主要成果确定了本文研究方向，制定了纳米晶CuCr25和AgSnO2触头的电性能实验方案，分别从触头材料的分断和闭合燃弧的特点和规律、实验后触头表面劣化状况、分离和闭合熔焊机理及抗熔焊性能等方面进行分析，最后整理归纳研究内容。具体章节安排如下：（1）阅读国内外相关文献，全面深入了解纳米晶材料目前的主要研究内容，确定本文研究方向。（2）论证并最终设计完成本文所需的实验研究方案。获取纳米晶晶CuCr25和AgSnO2实验材料，测试确定其基本物性参数。搭建实验平台，构建包含有触点模拟装置和真空罐装置的实验主回路和包含有采集卡和LABVIEW虚拟仪器的采集存储回路，实现对电触头带电正常运作中的电压、电流、力等信号的在线监测、采集和记录。（3）计算分析闭合和分断燃弧时间，归纳闭合和分断燃弧时间随操作次数增加而变化的规律，分析造成此规律的本质原因，总结触头分断长燃弧特点及其与触头熔焊之间的关系。（4）开展触头表面电镜分析，利用场发射电子显微镜观察并记录触头表面形貌特点，测试并记录触头表面微区的元素构成情况，总结元素分布变化特点，分析这些特点给触头寿命和抗熔焊性能等带来的影响。（5）总结对比不同纳米晶材料、及纳米晶与非纳米晶材料的抗熔焊性能，分析探讨实验中出现的闭合和分离熔焊，设计并搭建新的触头表面凸尖实验研究平台，观测和分析触头熔焊过程中的触头表面凸尖和触头间距变化特点。（6）总结全文工作，提出改进方法和今后的研究方向。7 华中科技大学硕士学位论文2纳米晶触头电性能研究方案2.1纳米晶CuCr25和AgSnO2材料的制备和性能2.1.1CuCr25材料制备的真空热压法及其性能本实验使用的CuCr25材料是由华中科技大学材料学院利用真空热压烧结工艺制备得到。制备基本原理过程为，把质量比为75:25的Cu粉和Cr粉置于真空室内，对混合粉末加热加压，使材料烧结和成型同时完成。根据掺合Cu粉和Cr粉粒度大小的不同，通过此法分别制备得到纳米晶和微晶CuCr25块体。真空热压材料制备法的优[42]点是实现了所制备材料含氧低、孔缝少、含杂少等要求，同时由于加热和加压塑型一起进行，提高了材料间的接触和热扩散过程，这使得烧结温度下降，烧结用间缩短，晶粒不易发展长大。所以热压烧结法制备的合金材料已很好的应用于电触头等电工类行业，发挥着其自身价值。如图2.1为微晶和纳米晶CuCr25块料的显微结构图，其中白色亮斑和亮点为Cr，由图可知纳米晶CuCr25材料中Cr粒较小，而且在Cu基中分散比较均匀，微晶CuCr25材料中由于Cr粒则较大，不免会有不同程度的Cr相的富集和偏析。真空热压制得的纳米晶和微晶CuCr25块材经过切割加工，制成直径为4mm的圆柱形触头，触头底部伸出直径为2mm的柱体以便于被夹持装载。（a）微晶CuCr25材料（b）纳米晶CuCr25材料图2.1微晶和纳米晶CuCr25块体材料显微组织图8 华中科技大学硕士学位论文测试纳米晶和微晶CuCr25块材的主要物性参数，得到如表2-1所示的相关参数数据。表2-1表明，与微晶CuCr25块材相比，纳米晶块材的相对密度、熔点、导电率、热导率、平均击穿场强和熔化潜热都偏低，而比热和饱和蒸汽压则相对较高。纳米晶块材的硬度远大于微晶，是后者的两倍左右。另外，本实验所用纳米晶块体的含气量偏高。表2-1纳米晶和微晶CuCr25材块材主要物性参数Cr粒尺寸相对密度熔点导电率比热热导率试品材料[m][%][K][Ms/m][J/(g·K)][W/m·K]纳米晶CuCr25材料0.1~0.596.52134620.23.3[473K]192.3[300K]微晶CuCr25材料50~12099.25134923.13.0[473K]266.6[300K]硬度平均击穿场强饱和蒸汽压熔化潜热含气量试品材料[HB][kV/mm][Pa][J/g][ppm]6纳米晶CuCr25材料286204×1069300005微晶CuCr25材料144275×10731000表2-1数据来源：Cr粒尺寸由微观图估计得到；熔点和比热利用TG/DTA同步分析仪（DiamondTG/DTA6300）测得；热导率利用热导测试仪（湘科DRL-II）测得等。2.1.2纳米晶AgSnO2材料的性能参数本文工作得到了桂林电器科学研究院有限公司的友情帮助，所用纳米晶AgSnO2触头由该司提供，作者通过测试得知，纳米晶AgSnO2触头实际Ag含量为90.51wt%3（质量百分比），密度为9.93g/cm，电阻率为2.55μΩ/cm；触头阳极和阴极都为铆钉状，圆柱状触头的阴阳极直径都是2mm。2.2触头电寿命对比实验及电镜测试2.2.1实验条件为了对纳米晶触头与微晶触头、纳米晶触头在真空与空气中以及不同纳米晶触头的电性能进行对比分析研究，本文根据材料自身特性及在工程实际中的应用条件，设计了触头电寿命实验方案，如CuCr25材料由于易氧化和价格便宜，故多用做真空触头，所以本研究中设置纳米晶和微晶CuCr25触头在42V/10A电压电流于真空中进行电寿命对比实验；而AgSnO2材料由于抗氧化性能好，既可用于空气也可用于真空触[43]头材料使用，且考虑到其抗熔焊能力较差，所以本研究中设置28V/10A下在真空和9 华中科技大学硕士学位论文空气中进行纳米晶AgSnO2材料触头的电寿命实验。实验回路负载都为纯阻性负载，其它具体实验条件如表2-2所示，寿命实验进行至触头发生熔焊，不能自主分断为止。表2-2电寿命实验条件触点触头触头线圈分断闭合电源回路稳定最大稳定触头材触头编实验环通断回路最大最大电压电流最大接触接触料号境周期电流速度速度(V)(A)间距压力压力(A)mm/smm/s(mm)(N)(N)纳米晶1#~3#CuCr25真空4210微晶1s通-54#~6#1×1011802080150CuCr251s断纳米晶1#~3#2810AgSnO24#~6#空气2.2.2实验设备实验用到的设备如表2-3所示。图2.2为关键设备——触头模拟装置和真空罐装置的实物图及其关键组成部件。表2-3实验设备器材一览表设备名称参数（用途）数量270V/100A大功率直流稳压电源电压可调270V/42V/28V/14V1台触头模拟装置可装卸电触头，电磁机构驱动触头分合操作1台真空罐装置真空腔体为圆柱形Φ60cm×70cm1台可调电阻1400VdC以下，50A，1.6Ω（0.4Ω×4）1台可调电阻2400VdC以下，24A，8Ω（2Ω×4）1台三菱FX2N型PLC与触头模拟装置配合，控制触头分合操作1台驱动触头模拟装置上的电磁线圈，为拉压力24V直流开关电源2台传感器提供工作电源水泥电阻12Ω2个分压器21:1用于电压信号采集1台NIPCI-6132S多功能数据采集卡用于采集电流、拉压力等信号1片研华牌工控机信号采集1台示波器对各路输入输出信号进行调试1台导线内径Φ70mm回路线和Φ0.5mm信号线若干10 华中科技大学硕士学位论文（a）触头模拟装置（b）真空罐装置图2.2关键设备实物图2.2.3实验电路图电寿命实验电路如下图2.3所示。11 华中科技大学硕士学位论文I真空罐装置R分压器1DAQELabviewAl0I1R1EAl11分压器2线圈K工控机GND图2.3电寿命实验电路图图2.3中E为270V/100A大功率直流稳压电源；E1为24V直流开关电源；R1为2个12Ω串联的水泥电阻；R由可调电阻1和2串联组成；K为触点模拟装置（含拉压力传感器），K可以放置于真空罐装置内；分压器1和2都为电阻分压原理制成，用于对电源和触头两端电压进行降压处理；DAQ为NIPCI-6132S多功能数据采集卡，信号通过采集卡传输到工控机中，并由LabView软件接收、保存。2.2.3触头电镜测试纳米晶和微晶CuCr25以及纳米晶AgSnO2触头电寿命实验完毕后，把触头从触点模拟装置上拆卸，并妥善保存。最后随机选取部分触头（如CuCr25材料的1#、3#、4#、6#触头）送至华中科技大学分析测试中心，用NovaNanoSEM450型场发射电镜对触头表面微观形貌进行观察，微区能谱成分进行分析，为增强观察清晰度，显微扫描前对触头表面进行了喷金处理。2.3本章小结本章确定了纳米晶触头电性能研究的实验方案，方案从以下几点进行设计：（1）选取纳米晶和微晶CuCr25，以及纳米晶AgSnO2触头材料作为研究对象。拍摄获取了材料的显微组织图，分析了材料组织构成特点，测试了所有实验材料的物性参数，测试给出了材料的熔点、热导率、硬度、饱和蒸汽压等参数。12 华中科技大学硕士学位论文（2）分别设计了真空中纳米晶和微晶CuCr25触头在42V/10A条件下，真空和空气中纳米晶AgSnO2触头在28V/10A条件下，两组电寿命对比实验方案。制作相应的电寿命实验电路图，介绍了主要实验设备及重要设备构成特点，阐述了对熔焊后电触头进行电镜测试的具体方法。13 华中科技大学硕士学位论文3纳米晶CuCr25和AgSnO2触头燃弧时间特性研究燃弧是判断触头电性能优劣的主要依据之一，由于在相同条件下电弧存在时间长往往表明烧蚀触头的能量大，触头侵蚀严重将直接改变其表面形貌，恶化触头间场强不均匀性，对触头寿命构成威胁。因此，本实验通过计算触头燃弧时间，对纳米晶与微晶，及真空与空气中燃弧时间特点进行比较分析。3.1分断燃弧时间结果及分析在分断力的作用下，动触头开始向远离静触头的方向移动，由于动触头的分离运动而在触头间形成了电弧，电弧从起始到完全消失的时长称为分断燃弧时间，如下图3.1所示。图3.1触头分断燃弧电压波形14 华中科技大学硕士学位论文图3.1（a）中t1、t2分别代表由金相和气相燃弧。如果电弧多次重燃，则累加计算。如图3.1（b）中出现一次燃弧重燃，t3代表初次燃弧持续时间，t4代表初次燃弧熄灭至二次电弧重燃的间隔时间。则分断燃弧时长tb为：tbt1t2或tbt1t2t3t4（3-1）为了观察燃弧时间的总体趋势，减少少数不良数据带来的误差，分析燃弧数据时引入了100次平均燃弧时间的定义，100次操作分断过程电弧持续时长t的计算b公式如下：100i1tb100(i)t100i99（3-2）100100i99式中，代表第（100i-99）次的分断电弧时长。3.1.1纳米晶和微晶CuCr25触头分断燃弧时间规律分析本实验中分断燃弧都仅包含有金相电弧，无气相电弧。如图3.2（a）（b）分别为1#触头第100次和第1500次操作分断燃弧电压波形，其中金相电弧时长依次为14.85ms和45.73ms。（a）][V电压金相燃弧(14.85ms)01020304050600.430.440.450.460.470.480.49时间[s]15 华中科技大学硕士学位论文（b）]金相燃弧[V(45.73ms)电压01020304050600.430.440.450.460.470.480.49时间[s]图3.2CuCr25触头典型分断燃弧电压波形1#~6#触头在发生熔焊之前分断过程产生的电弧时长随分合周期增加而变化的趋势图如下图3.3所示。（a）1#纳米晶CuCr25（b）2#纳米晶CuCr25（c）3#纳米晶CuCr25（d）4#微晶CuCr2516 华中科技大学硕士学位论文（e）5#微晶CuCr25（f）6#微晶CuCr25图3.3纳米晶和微晶CuCr25触头分断燃弧时长变化趋势图由图3.3（a）、（d）可知，1#纳米晶和4#微晶CuCr25触头在实验开始后分断燃弧时间一直保持低而平稳的水平，在突然出现第1次分断长燃弧后，触头立即发生熔焊。图3.3（b）表明，第1374次操作之前2#触头分断燃弧时间平稳处于50ms以下。在第1374次到第1760次操作之间，分断过程电弧时长升至50~112ms之间，但此段时间内触头并未熔焊。第1760次操作后，燃弧时间进一步增大，其平均值高于100ms，直至1989次操作后触头熔焊。说明触头的数十次、甚至百次燃弧时间的明显增大并不一定导致触头立即发生熔焊，但是它预示着触头抗熔焊能力正逐渐下降，熔焊会在不久后发生。图3.3（c）、（f）表明，触头电寿命内CuCr25触头分断燃弧时间一直保持平稳，熔焊突然发生，说明熔焊何时发生很难确定，熔焊发生前并不一定有分断长燃弧出现，具有随机性。图3.3（e）中，5#触头在出现第一次分断长燃弧时并未立即发生熔焊，但随后在出现第二次分断长燃弧之后，触头立即发生熔焊。为观察分断燃弧变化的整体趋势，消除个别长燃弧对观察整体情况的影响，如公式（3-2），计算CuCr25触头每100次分断过程电弧持续时长的平均值，结果如下图3.4。对于1#、2#纳米晶和4#微晶CuCr25触头，图3.4（a）、（b）和（d）表明随操作次数的增加，分断燃弧时间呈逐渐增加趋势，这会使触头熔焊时刻加速到来。而图17 华中科技大学硕士学位论文3.4（c）、（e）和（f）则表明CuCr25触头熔焊前，燃弧时间没有明显变化趋势，即熔焊具有随机性，熔焊发生并不一定伴随着分断燃弧趋势的显著改变。（a）1#纳米晶CuCr25（b）2#纳米晶CuCr25（c）3#纳米晶CuCr25（d）4#微晶CuCr25（e）5#微晶CuCr25（f）6#微晶CuCr25图3.4CuCr25触头每100次平均分断燃弧时间随操作次数变化趋势图通过计算得到纳米晶和微晶CuCr25电触头在正常操作电寿命内分断过程中燃弧时间的平均值，计算结果如表3-1所示。表3-1的数据表明，纳米晶CuCr25触头的分断过程燃弧平均值明显大于微晶触头，此规律由图3.3和图3.4也能够大致看出。18 华中科技大学硕士学位论文表3-1纳米晶和微晶CuCr25触头平均分断燃弧时间触头编号平均分断燃弧时间t（ms）b1#纳米晶CuCr2528.83022#纳米晶CuCr2522.09183#纳米晶CuCr2525.00404#微晶CuCr259.80765#微晶CuCr2511.34256#微晶CuCr2521.02953.1.2真空和空气中AgSnO2触头分断燃弧时间规律分析本实验纳米晶AgSnO2触头的分断燃弧特点可以概括为，真空中燃弧由金相电弧构成；空气中由金属相和气相电弧构成。如图3.5（a）（b）分别为真空中AgSnO21#和4#触头第100次操作的分断燃弧电压波形，图3.5（a）中其仅有金相燃弧，为15.98ms；图3.5（b）中金相燃弧为29.446ms，气相燃弧为20.738ms。（a）气相燃弧(0.296ms)][V金相燃弧电压(15.98ms)无.50510152025303540-20.890.900.910.920.930.940.950.96时间[s]（b）气相燃弧(20.738ms)][V金相燃弧电压(29.446ms)无.50510152025303540-21.561.5751.61.6251.651.6751.685时间[s]图3.5纳米晶AgSnO2触头典型分断燃弧电压波形19 华中科技大学硕士学位论文1#~6#触头在发生熔焊之前分断过程产生的电弧时长随分合周期增加而变化的趋势图如下图3.6所示。（a）1#纳米晶AgSnO2–真空（b）2#纳米晶AgSnO2-真空（c）3#纳米晶AgSnO2–真空（d）4#纳米晶AgSnO2-空气（e）5#纳米晶AgSnO2–空气（f）6#纳米晶AgSnO2-空气图3.6真空和空气中纳米晶AgSnO2触头分断燃弧时间变化趋势图图3.6表明，无论是在空气还是真空中随着触头电寿命实验的进行，纳米晶AgSnO2触头的分断燃弧时间并不呈单调变化趋势。可以总结得出其燃弧特点为：图3.6（c）显示，3#触头实验开始时分断燃弧时间一直比较平稳的在0~50ms范围内波动，在第196次触头分断时突然出现了长燃弧，时长达到150ms，触头也随即发生熔焊。20 华中科技大学硕士学位论文与图3.6（c）中所示趋势相似的还有图3.6（a）、（d）和图3.6（e），即在触头熔焊产生的前一刻，触头在断开过程中都会有分立的长燃弧出现。而与图3.6（c）不同的是，图3.6（a）、（d）和（e）所示的1#、4#和5#纳米晶AgSnO2触头不仅在最后一次操作时出现了分断长燃弧，而且在熔焊前的电寿命之内多次出现分断长燃弧。如图3.6（d）中触头在操作次数达到1700次时，分断燃弧时间突然增大并超过200ms，随后燃弧时间又降低至之前的水平；图3.6（e）可以看出，起初分断燃弧在50~70ms范围内平稳波动，第105次操作时达到112.55ms，而后又降低至之前的水平，但第一次长燃弧的出现并未导致触头立即熔焊。图3.6（b）表明2#纳米晶触头在电寿命实验开始时分断燃弧比较平稳的波动于0~60ms左右，第734次操作以后分断长燃弧频繁出现，经过数十次正常分合周期之后触头最终熔焊。而图3.6（f）中，在触头的整个寿命周期内都未出现明显的长燃弧现象，表明触头熔焊并不一定伴随有分断长燃弧的出现，即触头熔焊具有一定随机性。由以上分析总结，分断长燃弧和熔焊之间存在某种关系，单个或数个分立分断长燃弧可能会致使触头立即熔焊；连续的一组或者数十次分断长燃弧也可能会致使触头发生熔焊，连续长燃弧会使触头抗熔焊能力急速大幅下降。同时，触头熔焊也具有一定随机性，可能会突然发生，而无分断长燃弧的出现。为观察分断燃弧整体变化情况，以消除个别长燃弧影响整体燃弧变化情况，如下面公式（3-2），计算纳米晶AgSnO2触头每100次开断过程中的平均燃弧时长，结果如下图3.7。（a）1#纳米晶AgSnO2–真空（b）2#纳米晶AgSnO2-真空21 华中科技大学硕士学位论文（c）3#纳米晶AgSnO2–真空（d）4#纳米晶AgSnO2-空气（e）5#纳米晶AgSnO2–空气（f）6#纳米晶AgSnO2-空气图3.7真空和空气中纳米晶AgSnO2触头每100次平均分断燃弧时间随操作次数变化趋势图图3.7表明，本实验纳米晶AgSnO2触头在空气中的分断燃弧总体上要高于真空中的值，1#、2#和3#纳米晶AgSnO2触头在真空中的每100次断开过程的平均燃弧时长基本都低于40ms（除图3.7（b）中2#触头最后一小段趋势图），而4#、5#和6#纳米晶AgSnO2触头在空气中每100次操作断开过程燃弧时间平均值基本都在50ms左右或以上。另外，图3.7所示的所有触头的每100次平均燃弧变化趋势波动都较小，未出现大幅升降或者单调增减现象。计算得到真空和空气中纳米晶AgSnO2触头在正常操作电寿命内分断过程中燃弧时间的平均值，结果见下表3-2。表3-2真空和空气中纳米晶AgSnO2触头平均分断燃弧时间触头编号平均分断燃弧时间t（ms）b1#纳米晶AgSnO2–真空16.56342#纳米晶AgSnO2–真空27.33523#纳米晶AgSnO2–真空25.98614#纳米晶AgSnO2–空气135.8385#纳米晶AgSnO2–空气62.78996#纳米晶AgSnO2–空气40.765922 华中科技大学硕士学位论文表3-2可以看出，真空中纳米晶AgSnO2触头平均分断燃弧时间明显小于其在空气中的值。3.2闭合燃弧时间结果及分析闭合过程中，随着动静触头之间间距的逐渐减小，触头凸尖接通或电压击穿而引起电弧，以及之后因弹跳产生电弧。在本文中，闭合过程电弧产生到最终电弧全部消失不再重燃，这之间的时间称为闭合燃弧时间，如下图3.8。电压tm2tm3tm1时间图3.8触头闭合燃弧电压波形图3.8中，tm1代表闭合过程中最初的击穿电弧，即触头相向运动慢慢靠近时因为触头凸尖接通或电压击穿而产生的电弧。tm2为从动静触头第一次完全闭合静止后到第一次碰撞弹跳之前的时长。tm3为触头因接触碰撞发生弹跳而引起的电弧持续燃烧时长。以tm代表闭合燃弧时长，由上所述其计算公式为：tttt（3-3）mm1m2m3为总结闭合过程电弧时长的总体趋势，减少少数不良数据带来的误差，引入每100次闭合过程中电弧平均时长的定义，其第i个每100次闭合过程燃弧时长的平均值的计算公式如下：100i1tm100(i)t100i99（3-4）100100i99其中，代表第（100i-99）次闭合电弧时长。23 华中科技大学硕士学位论文3.2.1纳米晶和微晶CuCr25触头闭合燃弧时间规律分析本实验中闭合燃弧特点为，纳米晶CuCr25触头闭合过程一般出现3~4次弹跳燃弧，其中以3次居多；微晶CuCr25触头闭合过程一般出现2次弹跳燃弧。纳米晶CuCr25触头弹跳次数更多的原因是纳米晶比微晶材料硬度高很多（见表2.1），易产生碰撞弹跳。图3.9为纳米晶和微晶CuCr25触头闭合燃弧电压波形，图3.9（a）、（b）分别为1#纳米晶和4#微晶CuCr25触头第100次操作的闭合燃弧时间电压波形，1#纳米晶CuCr25触头的闭合燃弧时长为7.291ms，出现4次弹跳燃弧，4#微晶CuCr25触头闭合燃弧时长为4.295ms，出现2次弹跳燃弧。（a）][V闭合燃弧电压(7.291ms)-50102030405060651.3061.3081.311.3121.3141.3161.3181.321.3221.324时间[s]（b）][V闭合燃弧电压(4.295ms)-50102030405060651.581.5821.5841.5861.5881.59时间[s]图3.9CuCr25触头典型闭合燃弧电压波形24 华中科技大学硕士学位论文1#~6#触头在发生熔焊之前闭合过程产生的电弧时长随分合周期增加而变化的趋势图如下图3.10所示。图3.10（a）表明触头电寿命实验内1#纳米晶CuCr25触头闭合燃弧时长在0~10ms之间一直保持平稳波动，触头在第2111次操作时发生熔焊。（a）1#纳米晶CuCr25（b）2#纳米晶CuCr25（c）3#纳米晶CuCr25（d）4#微晶CuCr25（e）5#微晶CuCr25（f）6#微晶CuCr25图3.10纳米晶和微晶CuCr25触头闭合燃弧时间随操作次数变化趋势图图3.10（b）表明在电寿命实验开始时2#纳米晶CuCr25触头的闭合燃弧时长也主要在0~10ms之间波动，第1次至270次操作之间2#触头闭合燃弧主要在6~10ms25 华中科技大学硕士学位论文之间波动，第270次操作以后整体闭合燃弧主要波动于0~7ms之间，触头在第1990次操作后熔焊。图3.10（c）表明在电寿命实验内3#触头的闭合燃弧时长先阶梯式递减，最后又有升高趋势，闭合燃弧时长在0~10ms之间波动。在第231次操作之前闭合燃弧主要波动于3~10ms之间，第231操作至第2073次操作之间闭合燃弧整体逐渐递减，第2073次操作之后直至触头熔焊闭合燃弧又突然增加。图3.10（d）表明在电寿命实验内4#微晶CuCr25触头的闭合燃弧时长主要在0~5ms之间波动，波动情况较为平稳。图3.10（e）和（f）表明在电寿命实验内5#和6#微晶触头的闭合燃弧时长主要在0~3ms之间波动，且波动情况较为平稳。为观察闭合燃弧的整体变化趋势以减小个别长燃弧影响观察整体燃弧趋势的变化情况，按照（3-4）计算CuCr25触头每100次操作闭合过程中电弧平均燃烧时长，结果如图3.11所示。（a）1#纳米晶CuCr25（b）2#纳米晶CuCr25（c）3#纳米晶CuCr25（d）4#微晶CuCr2526 华中科技大学硕士学位论文（e）5#微晶CuCr25（f）6#微晶CuCr25图3.11CuCr25触头每100次平均闭合燃弧时间随操作次数变化趋势图图3.11（a）、（d）和（f）表明，1#纳米晶和4#、6#微晶触头在电寿命实验内，闭合燃弧时间呈现逐渐递减的趋势。图3.11（b）和（c）表明，2#和3#纳米晶触头在电寿命实验周期内，闭合燃弧时间呈现先递减后增大的趋势。而图3.11（e）表明，5#微晶触头的闭合燃弧时间，在触头寿命周期内始终平稳波动于1ms左右。通过计算得到纳米晶和微晶CuCr25触头正常操作电寿命内闭合过程中燃弧时间的平均值，结果如下表3-3所示。表3-3纳米晶和微晶CuCr25触头平均闭合燃弧时间触头编号平均闭合燃弧时间t（ms）m1#纳米晶CuCr255.34932#纳米晶CuCr254.42233#纳米晶CuCr252.10684#微晶CuCr251.69105#微晶CuCr250.93086#微晶CuCr250.6563表3-3表明纳米晶CuCr25触头在闭合过程的电弧持续时长要明显大于微晶触头，此规律由图3.10和图3.11也可以大致看出。3.2.2真空和空气中AgSnO2触头闭合燃弧时间规律分析图3.12所示为AgSnO2触头典型闭合燃弧电压波形图，本实验中真空和空气中纳米晶AgSnO2触头闭合弹跳时间差异不大，且弹跳次数也无明显差别，弹跳次数以3次为主。如图3.12（a）为真空中1#纳米晶AgSnO2触头第100次操作闭合燃弧，时长为6.362ms；图3.12（b）为空气中4#纳米晶AgSnO2触头第100次操作闭合燃弧，时长为6.7ms。27 华中科技大学硕士学位论文（a）][V闭合燃弧电压(6.362ms)-505101520253035401.8691.8711.8731.8751.8771.8791.881时间[s]（b）][V闭合燃弧电压(6.7ms)-505101520253035400.030.0310.0330.0350.0370.0390.0410.0430.045时间[s]图3.12纳米晶AgSnO2触头典型闭合燃弧电压波形1#~6#触头在发生熔焊之前闭合过程产生的电弧时长随分合周期增加而变化的趋势图如下图3.13所示。图3.13（a）表明，在电寿命实验的起始阶段真空中1#纳米晶AgSnO2触头闭合过程电弧持续时长在2.5ms~7ms之间波动，第188次分合周期之后闭合燃弧有小幅下降，平稳波动于0ms~5ms之间。（a）1#纳米晶AgSnO2–真空（b）2#纳米晶AgSnO2-真空28 华中科技大学硕士学位论文（c）3#纳米晶AgSnO2–真空（d）4#纳米晶AgSnO2-空气（e）5#纳米晶AgSnO2–空气（f）6#纳米晶AgSnO2-空气图3.13真空和空气中纳米晶AgSnO2触头分断燃弧时间随操作次数变化趋势图图3.13（b）表明在电寿命实验内，真空中2#纳米晶AgSnO2触头的闭合燃弧一直比较平稳的波动于0~3ms之间。图3.13（c）表明在电寿命实验内，真空中3#纳米晶AgSnO2触头的闭合燃弧先是在2ms~5ms内波动，后在0ms~5ms范围内波动。图3.13（d）表明在电寿命实验内，空气中4#纳米晶AgSnO2触头的闭合燃弧一直比较平稳的在2ms~8ms范围内波动。图3.13（e）表明在电寿命实验内，空气中5#纳米晶AgSnO2触头的闭合燃弧在第1937次操作之前稳定波动于7ms~11ms之间，第1937次操作到3044次操作之间闭合燃弧略有上升，主要波动于11ms~13ms范围内，第3044次操作之后又降低到7ms~11ms之间。图3.13（f）表明在电寿命实验内，空气中6#纳米晶AgSnO2触头的闭合燃弧在第2922次操作之前在2ms~8ms之间较平稳波动，第2922次操作之后闭合燃弧略有上升，主要波动于5ms~10ms之间。29 华中科技大学硕士学位论文为观察触头闭合过程电弧持续时长的整体趋势，消除个别长燃弧对整体燃弧趋势的影响，根据式（3-4）算得纳米晶AgSnO2触头每100次分合周期内闭合过程电弧持续时长的平均值，结果如图3.14所示。（a）1#纳米晶AgSnO2–真空（b）2#纳米晶AgSnO2-真空（c）3#纳米晶AgSnO2–真空（d）4#纳米晶AgSnO2-空气（e）5#纳米晶AgSnO2–空气（f）6#纳米晶AgSnO2-空气图3.14真空和空气中纳米晶AgSnO2触头每100次平均闭合燃弧时间随操作次数变化趋势图从整体趋势来看，图3.14（a）的每100次操作的平均闭合电弧时长表明，在电寿命实验中真空中1#纳米晶AgSnO2触头的闭合电弧时长呈现先递减，然后再略有升高的趋势。图3.14（b）、（c）和（d）的每100次操作平均闭合电弧时长表明，在电寿命实验中真空中2#、3#和空气中4#纳米晶AgSnO2触头的闭合电弧时长总体波动30 华中科技大学硕士学位论文不是很大，熔焊前闭合燃弧时长较为平稳。图3.14（e）表明，空气中5#纳米晶AgSnO2触头的闭合燃弧时间随着操作次数的增加呈现先略有升高后略有下降的趋势。图3.14（f）表明在电寿命实验内空气中6#纳米晶AgSnO2触头的闭合电弧时长先是平稳的在6ms附近波动，然后，在触头熔焊之前的500次操作内闭合电弧时长上升至9ms左右。通过计算得到真空和空气中纳米晶AgSnO2触头正常操作电寿命内闭合过程中燃弧时间的平均值，计算结果见下表3-4。表3-4纳米晶和微晶AgSnO2触头平均闭合燃弧时间触头编号平均闭合燃弧时间t（ms）m1#纳米晶AgSnO2–真空2.84192#纳米晶AgSnO2–真空2.29543#纳米晶AgSnO2–真空2.69004#纳米晶AgSnO2–空气6.86605#纳米晶AgSnO2–空气10.4666#纳米晶AgSnO2–空气7.1975由表3-4可以看出，空气中纳米晶AgSnO2触头的平均闭合燃弧时间明显大于其真空中的值，此规律由图3.13和图3.14也可以大致看出。3.3燃弧时间规律分析和讨论电触头分断和闭合燃弧时长不仅是判断触头是否良性工作的标准之一，而且燃弧往往造成触头表面形貌的改变，如分断燃弧会给触头带来双边侵蚀，而闭合燃弧则容[44]易造成触头间材料转移；触头熔焊机理也和燃弧特性息息相关，如研究发现熔焊往往发生在闭合弹跳引起的燃弧初期触头分离过程，或者分断周期初期的触头分离过程[45]（分断燃弧初期）中。本章对纳米晶和微晶CuCr25触头以及真空和空气中纳米晶AgSnO2触头的燃弧特性进行了总结，对分断和闭合燃弧特性的理论分析如下：（1）如图3.2和图3.5所示，本实验中所有触头的分断燃弧明显分为两种，一是在真空环境中分断燃弧仅由金属相燃弧构成，二是在空气环境中分断燃弧由金属相和气相燃弧构成。31 华中科技大学硕士学位论文已有研究认为分断燃弧可由金属相和气相燃弧构成，当电弧能量较低时两相燃弧从电压电流波形上能够明显区分，当电弧能量较高时则两相燃弧过渡平缓从电压电流[46]波形上不易区分。本实验中CuCr25实验电压电流条件为42V/10A，纳米晶AgSnO2触头实验条为28V/10A，对比文献[46]中实验条件（62.5V/7A以下属于低能量区），本实验条件下的燃弧属于低能量范围，即分断电弧能够明显区分出是由金相和气相电弧构成。金属相和气相燃弧的不同主要是燃弧介质不同造成的，金属相燃弧的产生介质主要是金属蒸气，它由分断过程中的接触电阻在通流后引起的焦耳热和电弧灼烧使触头表面熔化和气化形成，触头分离时在微小的触头间距处集聚了大量高能高压的金属蒸气，从而使正在分离的触头间产生金属相电弧，由于高能高压金属蒸气导电性能比较好，所以金相燃弧电压一般不是很高，一般在10V~15V之间，本实验中金属相燃弧电压在12V~15V之间。由金属相燃弧的产生机理可知，其是否产生及维持的长短主要取决于触头间隙喷发金属蒸气量，而触头表面熔池大小、触头撞击后到下次撞击前熔池内液态金属量、触头接触切向运动量和触头周围气体流动速率（散热情况）等都影响进入触头间的金属蒸汽量，根据金属蒸汽量存在于触头间的多少，金相燃弧长短也随之变化。气相燃弧的形成依赖于触头所处环境气氛，触头间电压电离触头间[47]隙中气体，从而产生气体离子用于维持气相电弧。本文在空气中的寿命实验，由于气体量较多易电离出气体离子，所以空气中触头分断燃弧都出现了气相燃弧；而真空中无气氛，所以真空中实验的分断电弧仅由金相，而无气相电弧。（2）分断长燃弧和熔焊之间存在某种关系，单个或数个分立分断长燃弧可能会致使触头立即熔焊；连续的一组或者数十次分断长燃弧也可能会致使触头发生熔焊，连续长燃弧会使触头抗熔焊能力大幅下降。同时，触头熔焊也具有一定随机性，可能会突然发生，而无分断长燃弧的出现。[48]LaijunZhao等利用商用继电器记录计算了AgSnO2触头分断燃弧时间，并通过总结指出触头熔焊具有随机性，可能会毫无预兆的突然发生，单个或数个分立分断长[48]燃弧不一定导致触头熔焊，这与本文所述实验规律一致。同时LaijunZhao等总结得到了“成组长燃弧效应”，即成组分断长燃弧会导致触头立即熔焊，而本实验发现对于纳米晶CuCr25和AgSnO2材料，此结论并不严格适用，在图3.3和图3.6中部分32 华中科技大学硕士学位论文触头出现了成组的分断长燃弧之后分断燃弧又降低，且在经过一段时间后才出现熔焊现象，所以成组分断长燃弧并不一定伴随触头熔焊，但无疑其会降低触头抗熔焊能力。（3）图3.3、图3.4和表3.1表明真空中纳米晶比微晶CuCr25触头的分断电弧显然要长；图3.6、图3.7和表3.2表明空气中比真空中纳米晶AgSnO2触头分断电弧显然要长。以上已经总结分析了本实验中分断燃弧的特点，即由金属相或者金属相和气相燃弧组成，可见金属相燃弧的长短会对所有分断燃弧带来影响。金属相燃弧的产生和维持依赖于金属蒸气量的多少，由表2.1可知与微晶CuCr25相比，纳米晶CuCr25具有较高的比热容和饱和蒸汽压，导致其易于吸热和蒸发，同时纳米晶材料热导率较低，导致其不易散热，所以同样的热能使纳米晶CuCr25材料更易熔化、蒸发和喷溅，这使得其金属相燃弧较长。而在真空和空气中，相同触头材料和其它实验条件下，由于空气中不仅有金属相燃弧，而且有气相燃弧，所以空气中纳米晶AgSnO2触头分断燃弧明显长于真空中纳米晶AgSnO2触头。（4）纳米晶明显比微晶CuCr25触头闭合燃弧时间明显长；真空中比空气中纳米晶AgSnO2触头闭合燃弧要短。首先，在纳米晶和微晶CuCr25触头闭合燃弧比较方面。结合图3.9和图3.12观察触头闭合弹跳电压波形，纳米晶（纳米晶CuCr25和AgSnO2）触头闭合弹跳次数以3次居多，并出现了4次或更多次弹跳，而微晶触头（微晶CuCr25）闭合弹跳以2次居多，并出现少数1次和3次弹跳，说明纳米晶材料更易产生闭合弹跳。这是由于纳米晶材料具有更高的硬度造成的（见表2-1），弹跳的增加无疑是造成纳米晶CuCr25触头闭合燃弧更长的主要原因。其次，对于真空中比空气中纳米晶AgSnO2触头闭合燃弧短的实验结论，还未有充分的理论根据。3.4本章小结本章通过计算电寿命实验中触头的分断和闭合电弧时长，总结了分断和闭合燃弧时间构成和变化特点，探究了分断长燃弧和触头熔焊间的规律，对比归纳了真空中纳33 华中科技大学硕士学位论文米晶和微晶CuCr25触头、真空和空气中纳米晶AgSnO2触头间的燃弧时间长短等规律，所得结论总结如下：（1）分断长燃弧和熔焊存在一定关系，单个或数个分立的分断长燃弧不一定导致触头立即熔焊；连续的一组或者数十次分断长燃弧容易导致触头熔焊发生，预示着触头抗熔焊能力很快下降。同时，触头熔焊也具有一定随机性，可能会突然发生，而无分断长燃弧的出现。（2）真空中CuCr25纳米晶比微晶触头的分断电弧显然要长；纳米晶AgSnO2空气中比真空中的触头分断电弧显然要长。（3）真空中CuCr25纳米晶比微晶触头闭合燃弧时间要长；纳米晶AgSnO2真空中比空气中触头闭合燃弧时间要短。34 华中科技大学硕士学位论文4纳米晶CuCr25和AgSnO2触头表面劣化研究[43]电触头表面劣化包括两个方面：一是表面形貌的变化；二是材料成分的改变。本章就电寿命实验后的纳米晶CuCr25和AgSnO2电触头表面形貌和元素成分变化进行测试、规律总结和分析探讨。电寿命实验结束后，随机选取CuCr25材料的1#、3#、4#和6#和AgSnO2材料的1#、2#、4#和5#电触头送至华中科技大学分析测试中心进行样品表面劣化分析。4.1纳米晶和微晶CuCr25触头形貌特点及分析纳米晶和微晶CuCr25触头的表面整体形貌图如图4.1所示。1#阴极（ⅹ57）1#阳极（ⅹ74）3#阴极（ⅹ74）3#阳极（ⅹ75）（a）1#和3#纳米晶触头形貌图35 华中科技大学硕士学位论文4#阴极（ⅹ80）4#阳极（ⅹ75）6#阴极（ⅹ74）6#阳极（ⅹ74）（b）4#和6#微晶触头形貌图图4.1纳米晶和微晶CuCr25触头整体形貌图图4.1表明，每个配对的触头中阳极都有材料堆积现象，说明材料转移方向都为从阴极至阳极。对比图4.1（a）、（b）可知，1#、3#纳米晶触头比4#微晶触头材料转移多（6#微晶触头转移量无法与1#、3#纳米晶触头定性对比），整体而言熔焊发生前纳米晶CuCr25触头电寿命实验中材料转移量较多。这是因为相比于微晶CuCr25，纳米晶具有较高的比热容，低热导率（见表2.1），故其吸热能力强，散热能力差。同时纳米晶CuCr25的饱和蒸汽压比微晶的要高（见表2.1），说明其沸点要低，故比[49]微晶材料更易蒸发散失，加之纳米晶材料热稳定性也低，所以电弧能量易导致纳米晶CuCr25触头表面金属液体的喷溅，产生更多的材料转移。36 华中科技大学硕士学位论文3#阴极（ⅹ1000）3#阳极（ⅹ1000）3#阳极（ⅹ10000）（a）3#纳米晶触头微观形貌图6#阴极（ⅹ1000）6#阳极（ⅹ1000）6#阳极（ⅹ10000）（b）6#微晶触头微观形貌图图4.2纳米晶和微晶CuCr25触头熔融区微观形貌图图4.2是3#和6#触头熔融区微观放大显微组织结构图。由图可知，在触头阴极表面3#纳米晶触头呈均匀水纹状，而6#微晶触头凹凸程度较为显著，呈层状或片状，由此可推测电弧灼烧情况为，在纳米晶触头表面比较均匀，而在微晶触头表面比较集中。出现此形貌特征的原因可能是CuCr25材料中Cr粒大小差异所致。因为一般电弧斑点直径在1~10μm，而电弧起始于介电强度较弱的Cr相，本实验中微晶CuCr25中Cr粒尺寸达到50μm以上（见表2.1），明显大于电弧斑点直径，电弧烧蚀被限制在此尺寸范围之内，所以电弧不易运动，烧蚀比较集中。而纳米晶CuCr25中Cr粒尺寸在0.5μm以下（见表2.1），小于电弧斑点直径，电弧在Cr相上产生后电弧电流很快下降，直至熄灭，之后电弧会在相邻Cr相上或其它地方重燃，所以电弧可能在任何[22]地方产生并易于运动，使得纳米晶触头表面电弧灼烧比较均匀。电弧不均匀灼烧易导致触头接触面产生凹坑和凸起，从而恶化触头之间场强不均匀度，致使电弧灼烧更加集中，触头闭合实际接触面变小，甚至形成可靠焊接点，加速触头熔焊发生。如图37 华中科技大学硕士学位论文4.1触头阴极形貌图中6#微晶CuCr25阴极触头表面发现有明显焊接点（图4.1（b））。而纳米晶阴极触头表面（图4.1（a））总体都比较平滑，未出现明显凹坑或凸尖。图4.2阳极触头微观图中，纳米晶CuCr25阳极微观形貌呈大颗粒堆积状，且裂纹多，裂缝大；微晶CuCr25阳极组织连接一体化，有液态金属流动痕迹，其表面也存在裂纹，但尺寸小，缝隙窄。图4.2阳极10000倍放大图中，纳米晶阳极触头表面呈[50]松散颗粒状，具有较低的焊接强度；而微晶触头表面呈大小液滴混合喷溅状态，其增加了触头接触时的粘结力，进而增大了熔焊力，降低了其抗熔焊性能。4.2真空和空气中纳米晶AgSnO2触头形貌特点及分析真空和空气中纳米晶AgSnO2触头的表面整体形貌图如图4.3所示。1#阴极（ⅹ80）1#阳极（ⅹ80）2#阴极（ⅹ80）2#阳极（ⅹ73）（a）真空中1#和2#纳米晶触头形貌图38 华中科技大学硕士学位论文4#阴极（ⅹ80）4#阳极（ⅹ80）5#阴极（ⅹ80）5#阳极（ⅹ80）（b）空气中4#和5#纳米晶触头形貌图图4.3真空和空气中纳米晶AgSnO2触头整体形貌图图4.3表明，1#和2#触头阳极都有鳞片状材料堆积（如图中圆圈部分所示），4#和5#触头阴极出现大的侵蚀凹坑，并在阳极出现很多堆积材料，这说明在实验过程中触头表面上材料材料转移方向为一致的从阴极到阳极。另外，1#和2#真空中纳米晶AgSnO2触头表面侵蚀材料转移量相较4#和5#空气中触头少，这是因为空气中AgSnO2触头分断燃弧时间较长（见3.1节表3-2），引起更大燃弧能量，从而导致触头侵蚀量较多。图4.3（a）显示真空中1#和2#触头阴极表面为层鞘状，阳极表面为鳞片状；图4.3（b）显示空气中4#和5#触头阴极表面出现侵蚀大坑，侵蚀面比较平滑，阳极表面覆盖有厚厚的由触头阴极喷溅、转移而来的材料。39 华中科技大学硕士学位论文1#阴极（ⅹ2400）1#阴极（ⅹ10000）1#阳极（ⅹ1000）1#阳极（ⅹ8000）（a）真空中1#纳米晶触头4#阴极（ⅹ2000）4#阴极（ⅹ10000）40 华中科技大学硕士学位论文4#阳极（ⅹ1000）4#阳极（ⅹ10000）（b）空气中4#纳米晶触头图4.4真空和空气中纳米晶AgSnO2触头微观形貌图图4.4所示为真空和空气中纳米晶AgSnO2触头表面微观形貌显微图。图4.4（a）表明，真空中触头阴极侵蚀较为集中，触头表面呈现断层和熔渣形貌，阳极触头表面[51]有很多小气泡，并出现裂缝，气泡的产生是SnO2受热分解出O2逸出所致。图4.4（b）表明，空气中阴极触头表面侵蚀比较均匀，阳极表面呈现溶液流动后冷却凝固的痕迹。4.3触头表面元素成分分布规律研究用场发射电镜对电寿命实验后部分触头熔融区和未经电弧烧蚀的光滑区进行能谱成分分析，测出各元素成分重量和原子百分比含量列写在表4-1和表4-4中。表4-1表明，在纳米晶CuCr25触头表面，光滑区Cr含量在23.36%~27.24%wt之间，熔化变形区Cr含量在23.24%~27.14%wt之间，这与标准的25%wtCr含量相比都比较接近；而微晶CuCr25触头表面元素的成分测试结果显示，光滑区Cr含量在25.03%wt~28.01%wt之间，而熔化变形区Cr含量在29.78%~38.57%wt之间，和25%wt标准含量相比光滑区Cr含量虽略有升高但基本可以认为和标准含量相一致，而熔化变形区Cr含量出现了大幅提高。即在高温电弧灼烧过程中，纳米晶CuCr25触头表面熔化变形区Cr含量保持基本稳定，微晶触头表面熔化变形区Cr成分含量明显增大。41 华中科技大学硕士学位论文表4-1纳米晶和微晶CuCr25触头表面材料成分含量触头编号元素熔化变形区光滑区Cu72.03%wt66.04%at72.21%wt64.51%at1#Cr27.14%wt30.41%at26.35%wt28.77%at纳米CuCr25O0.39%wt1.42%at0.08%wt0.28%at阴极C0.44%wt2.14%at1.36%wt6.43%atCu76.03%wt70.84%at72.38%wt67.47%at1#Cr23.24%wt26.46%at27.24%wt31.03%at纳米CuCr25O0.54%wt2.00%at0.31%wt1.15%at阳极C0.13%wt0.64%at0.07%wt0.35%atFe0.06%wt0.06%at------Cu73.83%wt67.37%at76.13%wt71.12%at3#Cr24.96%wt27.83%at23.36%wt26.67%at纳米CuCr25O0.49%wt1.78%at0.19%wt0.70%at阴极C0.60%wt2.90%at0.30%wt1.48%atFe0.12%wt0.12%at0.02%wt0.02%atCu71.90%wt63.94%at72.67%wt62.99%at3#Cr26.31%wt28.59%at24.38%wt25.83%at纳米CuCr25O0.82%wt2.90%at2.03%wt6.99%at阳极C0.97%wt4.57%at0.91%wt4.18%atFe------0.01%wt0.01%atCu68.21%wt61.36%at71.88%wt67.46%at4#Cr30.57%wt33.61%at28.01%wt32.13%at微晶CuCr25O0.65%wt2.32%at0.11%wt0.41%at阴极C0.57%wt2.72%at------Cu66.89%wt60.29%at72.73%wt66.31%at4#Cr31.97%wt35.21%at26.37%wt29.38%at微晶CuCr25O0.79%wt2.83%at0.03%wt0.11%at阳极C0.35%wt1.67%at0.87%wt4.20%atCu68.89%wt62.65%at71.13%wt63.98%at6#Cr30.14%wt33.50%at27.14%wt29.83%at微晶CuCr25O0.68%wt2.46%at1.72%wt6.14%at阴极C0.29%wt1.40%at0.01%wt0.05%atCu68.71%wt61.61%at73.66%wt66.25%at6#Cr29.78%wt32.63%at25.03%wt27.51%at微晶CuCr25O0.47%wt1.67%at------阳极（1）C0.81%wt3.85%at1.31%wt6.24%atFe0.23%wt0.23%at------Cu60.52%wt54.03%at73.08%wt68.37%at6#Cr38.57%wt42.08%at26.33%wt30.11%at微晶CuCr25O0.32%wt1.13%at------阳极（2）C0.58%wt2.74%at0.23%wt1.14%atFe0.01%wt0.01%at0.36%wt0.38%at注：%wt代表重量百分比；%at代表原子百分比---表示不含有此元素。如图4.1（b）6#微晶CuCr25阳极触头熔融区裂开为两部分，故分别对其进行了能谱成分分析。造成Cr成分含量此种变化的可能原因是纳米晶CuCr25材料中Cr粒径更小，比42 华中科技大学硕士学位论文[28]表面自由能高，表现为纳米晶Cr粒熔点低于微晶Cr粒。所以在受到电弧烧蚀时，纳米晶Cr粒能够与Cu基一起很快的熔化和凝固，而微晶Cr粒的熔化速度慢于Cu基，在Cu液中仍保留着大量未熔化的Cr粒，所以Cu以液态和汽态形式散失的更多，而Cr得以较多的保留。微晶触头表面Cr成分含量的升高，改变了触头实际接触点（面）的触头材料配对情况，有别于标准CuCr25配对时的抗熔焊效果。本文应用抗熔焊判据公式（公式[52]（4-1）），公式（4-1）中，相关参数表征意义和数值如下表4-2所示。Cme5800i/TCea1mpmk（4-1）wia表4-2Cu和Cr元素抗熔焊能力计算参数电阻率原子相对质游离电位逸出功拉伸强度元素de6沸点T[][10-8Ω/m]量ma[V][V][10Pa]iCu1.7563.557.7244.652072567Cr12.951.9966.7644.54142672定压比热密度传热系数熔化潜热汽化潜热元素熔点[]m33[J/(kg·k)][103kg/m3][W/(m·k)][10J/kg][10J/kg]32Cu1083.40.385108.964.0110204.8523432Cr18570.461107.20.93710293.15945由表4-1所列成分含量（6#阳极触头微晶元素含量取平均值）以及表4-2参数值，带入公式（4-1）计算触头发生熔焊前一刻的抗熔焊能力kw值，结果如下表4-3。表4-3抗熔焊计算结果表明，微晶材料触头Cr含量的增加，导致其抗熔焊能力（kw值）小于纳米晶材料，即Cr含量的增加导致其抗熔焊能力下降。表4-3抗熔焊能力值计算结果类别1#N-CuCr253#N-CuCr254#M-CuCr256#M-CuCr257777kw3.92×103.84×103.64×103.67×10其中，各触头表面Cu、Cr含量之和都超过98%，所以计算时忽略了O、C、Fe的影响。表4-4是测得的真空和空气中AgSnO2触头表面元素成分含量，由表可知真空中AgSnO2触头（1#、2#）熔化变形区的Ag元素质量百分比高于其在光滑区的值，而Sn和O的质量百分比都比其在光滑区的值要低。如1#触头阴极触头熔化变形区Ag43 华中科技大学硕士学位论文元素的质量百分比为60.39%，大于其在平滑区50.16%的值，而熔化变形区Sn和O元素的质量百分比依次为25.87%、9.32%，其分别小于在平滑区31.78%、15.99%的值。而空气中AgSnO2触头（4#、5#）熔化变形区元素分布特点与真空中含量相反，即Ag的质量百分比低于其在光滑区的值，而Sn和O的质量百分比均高于其在光滑区的值（只有5#触头阴极熔化变形区Sn元素的比例含量例外）。表4-4真空和空气中纳米晶AgSnO2触头表面材料成分含量触头编号元素熔化变形区光滑区Ag60.39%wt32.40%at50.16%wt26.37%at真空Sn25.87%wt12.61%at31.78%wt15.71%at1#-阴O9.32%wt33.71%at15.99%wt49.39%atC4.42%wt21.28%at2.07%wt8.53%atAg49.20%wt25.49%at43.02%wt20.05%at真空Sn33.01%wt16.07%at37.64%wt15.94%at1#-阳O13.54%wt41.21%at16.24%wt51.03%atC4.24%wt17.23%at3.10%wt12.98%atAg87.27%wt68.86%at83.26%wt58.61%at真空Sn8.81%wt6.31%at10.28%wt6.58%at2#-阴O1.70%wt9.05%at3.83%wt18.16%atC2.22%wt15.78%at2.63%wt16.65%atAg65.56%wt44.25%at55.57%wt33.54%at真空Sn25.23%wt15.98%at33.52%wt18.39%at2#-阳O6.81%wt27.03%at8.19%wt33.32%atC2.41%wt12.74%at2.72%wt14.75%atAg78.56%wt48.00%at84.18%wt50.12%at空气Sn10.68%wt5.92%at6.33%wt3.43%at4#-阴O9.73%wt40.13%at3.22%wt12.93%atC1.03%wt5.95%at6.27%wt33.52%atAg73.65%wt42.84%at80.87%wt43.91%at空气Sn14.02%wt7.41%at5.87%wt2.90%at4#-阳O11.24%wt44.10%at9.47%wt34.68%atC1.08%wt5.64%at3.80%wt18.51%atAg84.44%wt31.45%at88.73%wt72.91%at空气Sn5.20%wt2.00%at7.77%wt5.80%at5#-阴O6.31%wt32.23%at2.5%wt13.83%atC4.05%wt34.33%at1.01%wt7.46%atAg75.85%wt46.97%at87.95%wt60.63%at空气Sn14.01%wt7.89%at5.35%wt3.35%at5#-阳O8.10%wt33.81%at3.53%wt16.40%atC2.04%wt11.33%at3.17%wt19.62%at注：%wt代表重量百分比；%at代表原子百分比用X和Y分别表示触头熔化变形区和光滑区Sn和O原子百分比之商，即：X=熔化变形区（Sn原子百分比/O原子百分比）44 华中科技大学硕士学位论文Y=光滑区（Sn原子百分比/O元素原子百分比）计算得到X和Y的值如表4-5所示。表4-5AgSnO2触头表面Sn与O元素原子百分比之商触头编号X–熔化变形区Y-光滑区触头编号X–熔化变形区Y-光滑区真空1#-阴0.3740.318空气4#-阴0.1480.265真空1#-阳0.3900.312空气4#-阳0.1680.084真空2#-阴0.6970.362空气5#-阴0.0620.419真空2#-阳0.5910.552空气5#-阳0.2330.204由表4-5可知，真空中触头阴阳极表面X的值全部大于Y，由此可知真空中AgSnO2触头熔化变形区的O元素损失多于Sn元素。例如1#触头阴极X值（12.61at%÷33.71at%=0.374）大于Y值（15.71at%÷49.39at%=0.318）。表4.4中所示，空气中AgSnO2触头表面X和Y值大小不确定，但其X和Y值绝大多数都比在真空中的值小（除5#阴极O比例外），说明空气中触头表面材料O含量普遍高于真空中。由以上分析可知，真空和空气中触头熔化变形区O元素含量低于光滑区，说明材料熔化变形和蒸发过程中损失了O元素，这是高温环境下SnO2发生分解反应，使O元素以O2形式逸出造成。而真空中AgSnO2触头熔化变形区的O元素损失多于Sn元素，空气环境中并未出现这一现象。因为真空环境下，分解后O元素以O2形式从熔化材料中大量逸出，在触头表面形成很多气泡（如图4.4（a）），使得触头表面材料的O元素含量明显下降，而Sn元素则只有少量的蒸发散失。在空气环境下，虽然也有SnO2分解产生O2逸出使O元素散失，但空气中的O2会参与到化合生成SnO2的反应中，同时空气中的O2也会溶解于熔化的触头材料中，这减少了部分O元素的散失。而O元素散失越多说明熔化变形区以AgSn合金形式存在的材料越多，致使触头抗熔[43]焊性能降低，触头更易发生熔焊，所以真空中AgSnO2触头抗熔焊能力应该低于空气中AgSnO2触头。4.4本章小结本章围绕纳米晶CuCr25和AgSnO2触头表面形貌和元素成分含量变化做了较为详细的论述，对实验中电触头表面劣化研究成果总结如下：45 华中科技大学硕士学位论文（1）真空中CuCr25纳米晶比微晶触头材料转移量更多，触头表面烧蚀更严重，这是由于纳米晶材料熔点低，比热容大，导热差，饱和蒸汽压高所致。纳米晶AgSnO2真空中比空气中触头材料转移量明显更少，这是空气中燃弧更长，对触头烧蚀更严重造成。（2）真空中CuCr25纳米晶触头表面呈均匀水纹状，而微晶的凹凸程度较显著，出现焊接点，说明电弧在纳米晶触头表面烧蚀更均匀，这是纳米晶CuCr25中介电弱项Cr粒径小于电弧斑点，电弧易熄灭、运动造成。微观放大图显示，真空中CuCr25微晶触头表面熔融区呈液滴喷溅状，纳米晶触头熔融区呈松散颗粒堆积状，松散颗粒状的材料组织结构具有较小的粘结力，增加了纳米晶触头抗熔焊能力。（3）纳米晶AgSnO2真空中触头阴极表面侵蚀比较集中，出现有明显断层和熔渣，阳极触头表面出现很多小气泡和裂缝；空气中触头阴极触头侵蚀面比较均匀，阳极呈现溶液喷溅和流动痕迹。（4）真空中CuCr25纳米晶触头熔化变形区Cr含量和光滑区基本一致，而微晶触头熔化区Cr含量明显升高，抗熔焊水平的计算表明这造成了微晶较纳米晶触头抗熔焊性能的下降。（5）纳米晶AgSnO2真空中触头熔化变形区的Ag元素含量高于光滑区，而Sn和O的含量均低于光滑区，这与空气中触头的元素成分状况恰恰相反。同时，纳米晶AgSnO2真空中触头材料损失O元素比Sn元素多，这是真空中触头表面受热分解的O元素以O2形式逸出所致。空气中触头受到O2包围而补偿了SnO2分解损失的O元素（O2与Sn或SnO化合，及O2溶于液态材料中），不致使Sn和O元素损失上的严重比例失衡，所以空气中触头仍保持较好的AgSnO2合金特性。46 华中科技大学硕士学位论文5纳米晶CuCr25和AgSnO2触头抗熔焊性能研究5.1纳米晶/微晶CuCr25及真空/空气中AgSnO2触头抗熔焊结果本次实验从触头第一次分合操作开始，进行至触头发生熔焊时结束实验，实验熔焊前正常操作次数的结果如下表5-1所示。表5-1触头抗熔焊实验结果环境和材料触头编号操作次数平均操作次数熔焊类型1#2110闭合熔焊真空-2#1989分离熔焊纳米晶CuCr2521393#2319闭合熔焊4#1819闭合熔焊真空-5#1382闭合熔焊微晶CuCr2516116#1633闭合熔焊真空-1#1539分离熔焊纳米晶AgSnO22#766闭合熔焊8333#196闭合熔焊空气-4#2673分离熔焊纳米晶AgSnO25#3321闭合熔焊31416#3429闭合熔焊由表5-1看出，熔焊发生前纳米晶CuCr25触头的操作次数均大于微晶触头，其熔焊前平均操作次数约是微晶CuCr25触头的1.33倍，故在本实验条件下，纳米晶CuCr25触头的抗熔焊能力比微晶CuCr25触头强。同样，空气中AgSnO2触头熔焊前平均操作次数约是真空中的3.77倍，说明纳米晶AgSnO2触头在空气中的抗熔焊能力强于其在真空中。表5-1还表明，在本实验共12对触头发生的12次熔焊中，出现了3次分离熔焊，9次闭熔焊，闭合熔焊发生概率为75%，分离熔焊发生概率为25%。且所有分离熔焊都发生在纳米晶触头实验过程中，即本实验中分离熔焊发生在微晶触头实验中的概率为0，发生在纳米晶触头实验中的概率为33.3%。据此可以推测在触头熔焊中，分离熔焊发生在纳米晶触头上的概率比发生在常规微晶触头上概率更大。利用文章3、4章中已经总结可以对此作出解释，因为纳米晶触头分断燃弧时间更长，材料转移更多，47 华中科技大学硕士学位论文所以触头分离过程中产生更多更大的液桥的可能性也越大，而分离液桥是造成分离熔[53]-[55]焊的一个重要原因，所以造成了分离熔焊比较集中的发生在纳米晶触头实验中。5.2闭合和分离熔焊的分析和探讨以本实验中5#和1#AgSnO2触头分别发生的闭合和分离熔焊为例，对其电压、电流和力波形图进行分析，阐述闭合和分离熔焊机理，见下图5.1和5.2。807060)(N50力)40(A电流30)(V20电压100-10012345678910时间(s)图5.15#纳米晶AgSnO2触头熔焊波形在图5.1中，0.5s、2.5s、4.5s、6.5s、8.5s分别为触头的预定闭合时刻，1.5s、3.5s、5.5s、7.5s、9.5s分别为触头的预定分离时刻。电压在1.5s和3.5s处开始由较低的燃弧电压很快升至电源电压28V，即触头正常分断，在2.5s和4.5s处电压由28V即刻回到0V，即触头按预定时刻正常闭合。而在5.5s~6.5s的分断周期内电压始终为零，力信号显示有力的变化，但是电压并未升高，没有产生实际的触点分离运动，即在5.5s分离时刻到来时闭合压力有所下降，但并未下降至0N，触头未分离次成功，触头发生了永久闭合熔焊。图5.2中0.7s、2.7s、4.7s、6.7s、8.7s分别为触头的预定分离时刻，1.7s、3.7s、5.7s、7.7s分别为触头的预定闭合时刻。电压在0.7s和2.7s处开始由较低的燃弧电压逐渐升至电源电压28V，即触头正常分断，在1.7s和3.7s处电压由28V即刻回到0V，即触头按预定时刻正常闭合。触头经过2.7s~4.7s的正常分合周期后，在下一个分断时48 华中科技大学硕士学位论文807060)50(N力)40(A30电流)(V20电压100-10012345678910时间(s)（a）熔焊前后几个波形2015)(N力)10A(电流)V5(电压0ABCD4.24.44.64.8-54.64.74.84.95.05.15.25.3时间(s)（b）熔焊时刻波形放大图图5.21#纳米晶AgSnO2触头熔焊波形刻A点处静触头压力减小后保持一定，压力减小说明触头有相互分离的运动，但此时触头电压为0，说明触头没有成功实现相互分离。B时刻触头电压经过一个尖峰突起后，突变为0V，随后C~D阶段电压为一很窄的脉冲，宽度约为60ms，高度约13V，静触头所受压力有较小的减小趋势变化，即触头发生了极小距离的分离运动，应该是在此分离运动中形成了大量不稳定液态金属和金属蒸气，最后形成稳定液桥。液桥冷49 华中科技大学硕士学位论文却后使触头稳定连接，触头电压在此短暂脉冲后一直保持为0V，即触头在D时刻发生了分离熔焊。5.3触头凸尖测试装置的设计5.3.1装置设计和效果图为了能够观察触头运动过程中，触头微间隙动态特征变化（触头表面凸尖和触头间距变化）情况，以分析凸尖变化与触头熔焊，特别是分离熔焊之间的关系，在原有触点模拟装置的基础上，利用两台CCD相机、高亮点光源、滤光片、压缩采集卡、[56]工控机等搭建了一套触头凸尖测试装置，如图5.3所示。CCD相机1和2的最大帧率为62，分别从水平和垂直两个方向拍摄记录触头运动过程中表面状况。高亮点光源1通过棱镜反射光给相机2提供背光，高亮点光源1直接为相机1提供背光。相机采集得到的照片通过压缩采集卡实时的把照片显示并存储在工控机上。CCD相机2工控机触头（示意）光源2光源1压缩采集卡棱镜CCD相机1图5.3触头凸尖测试装置为减少相机工作时间，提高存储照片的质量，减轻采集和存储照片过程的工作量，利用PLC、信号发生器等设备对相机进行选择性触发拍摄。选择性触发拍摄的基本思50 华中科技大学硕士学位论文路是通过选择性控制相机拍摄时间，使相机在触头闭合和分断的运动过程时间内拍摄，在触头静止闭合和分断的时间段内不拍摄。选择性触发相机的流程图如下：自动计数终止控制触头分信号1变化触发<62Hz矩形触发合信号1（1s前250ms产相机拍照脉冲信号通1s断）生信号2信号发生器PLC图5.4选择性触发相机流程图实测信号时序配合波形如图5.5所示：250msCH1:信号1——1s通1s断，控制触头分合操作。CH2:信号2——下降沿触发信号发生器锯齿波信号3。250msCH1:信号1——1s通1s断，控制触头分合操作。CH2:信号3——锯齿波信号（<62Hz）用于触发相机拍照。图5.5触发相机时序配合电压波形51 华中科技大学硕士学位论文5.3.2照片后期数据处理CCD相机拍摄照片最大像素为1600×1200，做测试时实际应用1200×1024像素，分辨率为5.5μm×5.5μm。相机的最大帧率为62，测试应用帧率为50，即拍照速度为20ms/张。相机加装了滤光片和远心镜头，最大可能的减少电弧和触头上不同位置凸尖成像模糊所带来的误差。存储下来的触头照片需要进行线下处理，第一步就是把图片格式转化成可计算的数据格式，利用MATLAB中的“canny”算子提取照片中黑色触头轮廓线，拍摄得到的触头照片和提取轮廓线后的照片如图5.6所示。第二步是对数据格式的轮廓线图片进行触头表面最大凸尖高度、凸尖位置和触头间最小距离的计算，计算采用遍历法，为加快计算速度，计算过程采用划定遍历范围和并行计算的方法，具体计算MATLAB程序见附录1，照片的MATLAB处理流程如图5.7所示。动触点动触点静触点静触点原始照片读取数值矩阵Rgb2gray函数灰度图（a）原始照片Edge函数边缘矩阵遍历法/并行计算最大凸起高度、位置等信息（b）轮廓线图片输出并保存（左为相机1拍照，右为相机2拍照）图5.6相机拍摄触头典型照片图5.7照片计算处理流程图52 华中科技大学硕士学位论文5.3.3测试结果本次测试使用的是一对Φ4mm的普通微晶AgNi触头，测试实验的参数如下表5-2所示：表5-2测试实验参数电源电压回路电流回路负载特性线圈电流触点开距最大分断速度最大闭合速度28V20A阻性1A1mm180mm/s160mm/s用已经编写好的MATLAB程序计算触头稳定分离时刻的表面最小距离和两触头表面最大凸尖高度，并给出随操作次数增加这些参数的变化趋势，见下图5.8。（a）触头间最短距离（d为触头间最短距离，N为操作次数）（b）左表面最大凸尖高度（h为左表面最大凸尖高度，N为操作次数）53 华中科技大学硕士学位论文（c）右表面最大凸尖高度（h为右表面最大凸尖高度，N为操作次数）图5.8触头间最短距离及最大凸尖高度随操作次数的变化图5.8表明两个不同位置的相机拍摄得到的触头稳定分离状态下的最小距离计算结果基本一致，吻合度较好，说明计算结果真实可信。随着操作次数的增加，触头最小距离首先在最开始设定的标准距离1mm上下波动，并伴随微小下降走势，第110次操作之后降幅加大，最后最小距离逐渐减小直至达到0.75mm左右，触头发生熔焊。[57]NaitoY等研究了触头凸尖高度与熔焊之间的关系，实验总结出凸尖高度H与、凸尖直径D、触头间距G及熔焊之间关系如下：动触点为阴极：Maximum(H)=0.7mm，H/D≥0.5且H/G≥0.5时，熔焊极易发生。动触点为阳极：Maximum(H)=0.35mm，H/D/G与熔焊之间无显著定量关系。本文实验动触点为阳极，最小触头间距最大下降为0.25mm左右，即Maximum(H)=0.25mm时触头发生熔焊，这与文献[57]所述动触头为阳极时结果基本一致。图5.8（b）、（c）表明，左右表面最大凸尖高度随着操作次数增加，前期波动不大且稳定在较低水平，第120次操作之后凸尖高度开始显著增长，随后又减小，这可能是由于凸尖增长后受到挤压后软化变矮或断裂致使其高度减小，可以推测如果触头寿命足够长可能凸尖高度还会出现多次的涨消过程。54 华中科技大学硕士学位论文5.4本章小结本章围绕分析触头的抗熔焊性能，详细分析了闭合和分离熔焊机理，设计和搭建了触头凸尖研究新装置，成果总结如下：（1）真空中CuCr25纳米晶触头抗熔焊能力强于微晶触头，纳米晶AgSnO2空气中触头抗熔焊能力强于真空中。（2）实验中的触头熔焊既有闭合也有分离熔焊，闭合熔焊占75%，分离熔焊占25%，其中分离熔焊全部发生在纳米晶触头实验中，在纳米晶触头中分离熔焊发生概率达到33.3%。利用实验记录的电压、电流、力等波形详细分析了闭合和分离熔焊机理，分析指出纳米晶触头更易发生分离熔焊的原因是纳米晶材料更易熔化，材料更易转移，触头凸尖更易产生和发展，所以更易产生造成分离熔焊的分离液桥。（3）利用CCD相机、高亮点光源、信号发生器、PLC和工控机等设备搭建了触头凸尖测试装置。优化设计装置运行和后续计算程序，完成了MATLAB照片处理程序的编写和调试。（4）触头凸尖测试装置的测试结果表明，新装置能够比较清晰的获得触头表面侧拍图。计算结果表明触头表面凸尖高度呈现涨消涨过程，即先增大后又减小，随操作次数的增加触头表面最小间距逐渐减小，并趋于一个稳定值。55 华中科技大学硕士学位论文6总结与展望6.1全文总结纳米晶触头是否比普通微晶触头有更优良的电性能目前研究尚不充分，实验研究条件比较简单和局限，其结论的普适性仍值得探讨。为此本文开展了纳米晶和微晶触点材料电性能的对比实验研究，包括真空中纳米晶和微晶CuCr25触头在42V/10A条件和纳米晶AgSnO2触头在真空和空气中28V/10A条件下的两组电寿命对照实验，实施了触头表面微观形貌观测和微区能谱成分分析，分析分断和闭合燃弧时间，总结分断长燃弧和触头熔焊之间的关系，比较触头抗熔焊能力，探讨触头侵蚀形貌特点，并研究触头表面元素成分含量和分布变化，给出如下结论：（1）真空中CuCr25纳米晶触头分断燃弧明显长于微晶触头，其原因是纳米晶材料熔点低、比热大，饱和蒸汽压高（见表2-1）导致材料更易熔化和蒸发，供给了燃弧更多金属蒸气；纳米晶AgSnO2在空气中的分断燃弧不仅有金相还有气相燃弧，故其明显长于真空中的值。熔焊与分断燃弧的关系比较复杂，单个或少数几次分断长燃弧不一定立即导致熔焊，连续的一组或者数十次长燃弧容易导致熔焊发生，但熔焊也具有随机性，低而稳定的燃弧时熔焊也会突然发生。（2）CuCr25纳米晶触头的闭合燃弧时间大于微晶触头，这是纳米晶材料硬度高（见表2-1）而引起较多闭合弹跳所致。（3）在真空中纳米晶和微晶CuCr25触头实验中，材料转移量纳米晶触头更多。CuCr25纳米晶触头阴极表面呈均匀水纹状，电弧烧蚀比微晶触头更均匀；CuCr25纳米晶触头阳极熔融区呈松散颗粒堆积状，故纳米晶触头粘结力小，抗熔焊能力强。在真空和空气纳米晶AgSnO2触头实验中，空气中触头转移材料量比真空中多。真空中触头阴极有明显断层和熔渣，空气中触头阴极比较平滑；真空中触头阳极有大量气泡，这是SnO2分解出的O2从液态材料中逸出所致。（4）真空中CuCr25纳米晶触头熔化变形区Cr含量和光滑区基本一致，而微晶触头熔化区Cr含量明显升高，这致使其抗熔焊性能下降。真空中纳米晶AgSnO2触头56 华中科技大学硕士学位论文熔化变形区Ag含量高于光滑区，而Sn和O含量均低于光滑区，空气中触头表面元素含量则恰恰与之相反。同时，真空中纳米晶AgSnO2触头O比Sn损失更多，而在空气中未有此规律。（5）真空中CuCr25纳米晶触头抗熔焊能力强于微晶触头；纳米晶AgSnO2空气中触头抗熔焊能力强于真空中。本实验中分离熔焊全部发生在纳米晶触头上，这是由于纳米晶材料更易熔化、转移，形成触头凸尖后更易发展成分离液桥。为此设计搭建了触头表面凸尖测试装置，测试结果表明随操作次数的增加，凸尖高度先增大后减小，触头最小间距逐渐减小并最终趋于稳定。纳米晶CuCr25触头抗熔焊性能强于微晶触头，纳米晶AgSnO2触头在空气中抗熔焊能力强于在真空中，其能大大提升继电器寿命。但纳米晶CuCr25触头和空气中的纳米晶AgSnO2触头都面临燃弧时间长，触头表面侵蚀严重等问题，这不利于其应用在对继电器分断性能有严格要求的场合，如航天继电器等方面。为此，今后可以研究灭弧装置对纳米晶触头燃弧时间削减作用，添加特殊元素以加强其抗侵蚀性等。6.2展望本文在基于现有设备的基础上对纳米晶CuCr25和AgSnO2触头进行了比较深入的电性能测试和分析研究，下一步对纳米晶材料电性能的研究还需做如下完善：（1）触头表面凸尖研究装置可以进一步改进以观察研究分离熔焊中的液桥现象。现有CCD相机最大帧率最大为62，即拍照速度最快不超过16ms/张，而本文实验中触头分离速度达到80mm/s，拍照间隙时间触头运动距离为（80mm/s）×（16ms）[58]-[60]=1280μm，而分离金属液桥一般只有数十或数百微米，故使用当前相机捕获到分离液桥的概率不大。需要提高相机拍照帧率，并减小触头分离速度。（2）本文在低电压下针对真空和空气中纳米晶触头进行了电性能研究，今后研究范围还可以更加广泛，如还应对更多种类纳米晶材料，以及不同气氛条件，更高电压电流等级条件下的纳米晶触头电性能展开测试研究。57 华中科技大学硕士学位论文致谢在华中科技大学的研究生学习即将结束，在这里我不仅学习到丰富的专业知识，掌握了有效的科研方法，而且收获了很多友谊，这将是我人生的一段美好回忆。衷心感谢我的研究生导师李震彪老师，他是一位对科研极其严谨，对工作极其负责，对生活非常乐观的良师益友。李老师注重科学研究的基本素养，即研究方法要严谨，实验方案要充分论证，实验条件和过程要精益求精，处理实验结果要合理、高效等。李老师不仅教导我们学习好科学研究的知识和方法，而且注重培养我们的办事能力和写作水平。他教导我们做事做人都要为他人着想，站在对方的角度，这样不仅尊重别人的立场，建立和谐人际关系，也能提高办事效率。做学问，搞科研，不仅要踏实耐心勇于付出，而且要学会口头和文字表达，要做到把自己的收获以最好的表达方式传达给别人，文字表达要做到展现给专家学者一定的深度和内涵，同时兼顾传达给行业入门者通俗易懂性。李老师做事情严谨苛刻，与人相处又常常谈笑风生，给我做出了一个真正的人生导师形象，让我受益匪浅。感谢电气学院王少荣、苗世洪老师在实验中出现问题时的热心指导；特别感谢光电系杨克成、夏铭老师对设计搭建新装置中有关光学问题的耐心解答和悉心指教；感谢高压系王燕老师在实验方面对我的帮助和支持。同时也要感谢在学习和生活上给予我帮助和关怀的同学们。感谢赵来军博士师兄认真的科研态度对我的感染和启发，感谢他与我在有关专业问题上的热心探讨。感谢刘杜师兄、田芸和李晨师姐教会我实验室所有实验设备和工具的使用方法，带领我一步步深入学习和研究。感谢王茜、崔志铭、王丹江、蔡冰冰和杨晓铖同学对我的支持和关爱。感谢实验室全体成员的默默付出，感谢你们的一直陪伴，给我一个充实、快乐的研究生生活，我必将一生铭记。最后，感谢给予我生命的父母，没有你们的养育就没有今天的我，感谢所有的亲朋好友对我的关心和照顾！58 华中科技大学硕士学位论文参考文献[1]张冠生.电器理论基础[M].第一版.北京:机械工业出版社,1989:171－174.[2]LiZhenbiao,ChengLichun,Zhangguansheng.Areviewontheoreticalinvestigationofelectricalcontactmaterials[J].ElectricalContacts,1996:488-493.[3]修士新,邹积岩,何俊佳.触头材料微观特性对其宏观性能的影响[J].高压电器,2000,36(3):40-42.[4]RiederWF,SchussekM,GlatzleW,etal.TheinfluenceofcompositionandCrparticlesizeofCu/Crcontactsonchoppingcurrent,contactresistanceandbreakdownvoltageinvacuuminterrupters[J].IEEETransactionsonComponents,Hybrids,andManufacturingTechnology,1989,12(2):273-283.[5]DingBJ,YangZM,WangXT.InfluenceofmicrostructureondielectricstrengthofCuCrcontactmaterialsinavacuum[J].IEEETransactionsonComponents,PackagingandManufacturingTechnology,1996,19(1):76-81.[6]周兆峰,甘卫平.AgSnO2触头材料的研究进展[J].稀有金属与硬质合金,2004,32(2):53-56.[7]叶家健,熊惟皓,徐坚,等.低压继电器用AgSnO2触头材料的研究进展[J].材料导报,2007,21(2):87-90.[8]冯辅义,张钧惠.国外真空开关管用Cu-Cr触头材料研究[J].真空电子技术,1992,(4):8-47.[9]冼爱平,朱耀宵.Cu-Cr触头合金制备技术的发展[J].金属学报,2003,39(3):225-233.[10]王季梅.真空开关的现状及发展趋势[J].电力设备,2011,(1):3-9.[11]夏承东,田保红,刘平,等.CuCr合金触头材料的研究现状[J].铸造技术,2007,28(1):139-141.[12]修士新,王季梅.Cr含量对CuCr触头材料性能的影响[J].真空电子技术,1998,(1):24-27.[13]XiuShixin,YangRen,XueJun,etal.MicrostructureandpropertiesofCuCrcontactmaterialswithdifferentCrcontent[J].TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2011,21(z2):389-393.[14]刘芳,周科朝,何捍卫,等.机械合金化制备超细、纳米晶晶CuCr触头材料的探讨[J].稀有金属与硬质合金,2005,33(1):39-44.59 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华中科技大学硕士学位论文附录1照片计算处理MATLAB程序代码（部分）%%读图像%建立存储结果文件夹imgFiles=dir('.image*.jpg');%读取文件夹中的全部数据pathResult='./result/';%存放结果的路径globalm0mdn0ndminlengthnglobalBWresultun=5.5;%单位像素边长,微米单位x=length(imgFiles);result=zeros(x,7);parfork=1:x%forallimagesfilename=imgFiles(k).name;input=imread(['.image',filename]);ifndims(input)==3%计算图象数组维数input=double(rgb2gray(input));%将真彩色图象转换成灰度图象elseinput=double(input);%将图象数据用双精度表示，提高计算准确度endImg=input;%%提取图像边缘BQ=edge(Img,'canny',0.2);low=min(BW(:)),high=max(BW(:))imwrite(BQ,['./result/'filename],'jpg');endimgFiles1=dir('.result*.jpg');n=1024;%照片长度LineValue=zeros(n,1);ColumnValue=zeros(n,1);fork=1:xfilename1=imgFiles1(k).name;%input=imread(['.thisisyourimagedirectory',filename]);BQ1=imread(['.result',filename1]);%%计算触头两接触面间的最短距离%寻找接触面的基准面BW=BQ1';BW=BW(:,89:1112);%选取方阵，方便计算LineValue=fLine(BW,LineValue);%调用函数求LineValueColumnValue=fColumn(BW,ColumnValue);%调用函数求ColumnValue64 华中科技大学硕士学位论文%优化，缩小遍历范围Judge2=fJudge2(ColumnValue);%调用函数Judge2ifJudge2fmd_n0(LineValue);%调用函数mdn0m0=md-50;nd=n0+50;%遍历法计算两面之间的最短距离minlenth_result34(k,BW);%调用函数minlengthresult(k,2)=minlength;%%计算触头表面最高凸起的高度%寻找计算凸起的基准面[t1,ms]=max(LineValue(md-200:md));%t1为每行最大像素值，ms为最大像素值所在矩阵中的行数hm=200-ms;%计算上表面凸起最大高度值result(k,5)=hm;[t2,ns]=max(LineValue(n0:n0+200));hn=ns-1;%计算下表面凸起最大高度值result(k,6)=hn;elsecount=fresult7(ColumnValue);%调用程序求countresult(k,7)=count;endend%输出计算结果myf=fopen('date_output.doc','w');fprintf(myf,'编号表面最小距离最小距离坐标上表面最大凸起下表面最大凸起接触面直径 ');fori=1:xfprintf(myf,'%s_%d',imgFiles(i).name,i);fprintf(myf,'%8.2f(%8.2f,%8.2f)%8.4f%8.4f%8.4f ',result(i,2:7)*un);endfclose(myf);disp('数据结果已输出至date_output.doc!');65 华中科技大学硕士学位论文附录2攻读硕士学位期间发表的论文[1]JinyouLiu,QianWang,LaijinZhao,etal.InvestigationofAnti-weldingPerformanceofNanocrystallineCuCr25ContactsinVaccum.5thInternationalConferenceofReliabilityofElectricalProductsandElectricalContancts.Wenzhou,China:November16-18,2014.76-82.[2]刘金友,王茜,杨晓铖,等.电触点分离液桥研究概述.电工材料,2014,(6):29-34.[3]X.C.Yang,J.Y.Liu,Q.Wang,Z.B.Li,etal.Weldinginseparationofelectricalcontacts[C].Proceedingsofthe14thInternationalSessiononElectro-MechanicalDevices.Chitose,Japan:IEICE,2014.[4]QianWang,JinyouLiu,XiaochengYang,etal.ResearchonAnti-WeldingAbilityinAirandVacuumofNano-AgSnO2Contacts.5thInternationalConferenceofReliabilityofElectricalProductsandElectricalContancts.Wenzhou,China:November16-18,2014.112-118.[5]杨晓铖,王茜,刘金友,等.电触点间隙动态特征测量研究.电工材料,2014,(6):3-8,16.[6]王丹江,崔志铭,蔡冰冰,刘金友,等.合闸时CVT分压电容暂态过电压的仿真研究.电力电容器与无功补偿,2014-12,35(6):46-51.66