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反应合成银氧化锡复合材料的合成机制与性能研究

陈敬超

  本文以反应合成AgSnO2复合材料为研究对象,通过复合材料制备、复合材料材料显微组织与性能分析、AgSnO2复合材料组织均匀化的有限元模拟分析、AgSnO2复合材料电接触性质的分子动力学模拟、AgSnO2复合材料反应合成机制的第一原理计算分析等研究手段,围绕反应合成AgSnO2复合材料中的微观结构分析与形成机制、反应合成AgSnO2复合材料中的组织均匀化与性能关系、反应合成AgSnO2复合材料中的电接触性能、AgSnO2复合材料反应合成机制等内容开展了系统的实验分析与理论研究。研究获得以下结果: 1.AgSnO2复合材料反应合成制备技术 以Ag-15wt%Sn、Ag2O为原料,辅以Ag粉为成分调节剂,采用反应合成技术可以合成制备SnO2含量10%(质量百分比)的AgSnO2复合材料,该材料具有复合材料界面洁净、增强相与基体结合牢固的特点。 2.反应合成AgSnO2复合材料的显微组织 反应合成法制备的AgSnO2复合材料烧结锭坯中Sn02颗粒较为细小存在严重的团聚现象。经过大塑性变形加工,当真应变达到11.7时,反应合成AgSnO2复合材料中聚集的Sn02颗粒,弥散分布在银基体中,实现了显微组织的均匀化。 反应合成制备的AgSnO2复合材料中,第二相Sn02颗粒中存在弥散分布的Ag6O2质点,并且Sn02与Ag602之间保持严格的晶体学位向关系,即:(110)SnO2//(101)Ag6O2 [001]SnO2//[010]Ag6O2 反应合成技术制备的AgSnO2复合材料中的Ag/SnO2界面清洁、无其它生成物存在。经过组织均匀化处理后,第二相Sn02与基体之间没有明确的晶体学位相关系。 3.反应合成AgSnO2复合材料的显微组织均匀化与性能 有限元模拟反应合成AgSnO2复合材料的组织均匀化结果表明,AgSnO2复合材料通过累计挤压塑性变形,在变形过程中复合材料的表层与心部、基体与第二相之间的不协调应力与应变,在复合材料中产生了较大的剪切应力。AgSnO2复合材料中呈环状聚集的Sn02颗粒在应力、应变的作用下,通过基体金属的流变,弥散分布在基体中,对改善复合材料的性能十分有利。这是大塑性变形得以均匀AgSnO2复合材料组织的关键。 4.反应合成AgSnO2复合材料的电接触性能 对于反应合成技术制备的AgSnO2复合材料在电流<25A条件下,不同材料变形量所得的AgSnO2材料的材料转移量均较小(<100ng/次),表现出良好的抗电弧侵蚀性能。 反应合成AgSnO2复合材料在电弧作用下的工作电压、工作电流对材料的转移方式和转移量都有显著的影响。在18V工作条件下,反应合成AgSnO2复合材镣在一定电流值范围内发生阳极转移,当电流大于临界值后,材料转移方式反向。而在8.5V工作条件下,材料只发生阴极转移。且在8.5V电压条件下的材料转移量与18V工作条件下的材料转移量相比,有明显降低。实验结果表明,在反应合成AgSnO2电触头材料的电接触过程中,电弧自身的伏-安特性决定了材料的转移方式,并是影响材料转移量的重要因素。 在18V工作电压,电流值≤20A工作条件范围内,反应合成AgSnO2材料的熔焊力曲线波动小,且数值较低,这表明反应合成AgSnO2材料在该工作条件范围内抗熔焊性能良好。而电流值>20A时,材料的抗熔焊性能明显下降。 反应合成AgSnO2阳极触点在发生阳极转移后,形貌呈现大量气孔、裂纹、及熔珠特征。 分子动力学模拟结果表明,当温度界于银基体的熔点和氧化锡的熔点之间时,团聚的氧化锡颗粒在银熔池中被不断分散、解离成较小的团聚颗粒,从而氧化锡在银液中的分布更加均匀,增大了熔体的粘度,这是反应合成AgSnO2电接触材料具有较低的材料转移能力的重要原因。随着温度升高,当熔池温度高于银的升华温度后,氧化锡将发生分解,分解得到的氧散失在环境中,分解得到的部分锡也将发生挥发。氧化锡的分解、银的汽化、锡的挥发都会消耗电弧能量,是发生灭弧的主要原因,灭弧对于电接触材料来说,是降低材料的电弧侵蚀最重要的因素之一。 5. AgSnO2复合材料的反应合成机理 采用Ag-15wt%Sn合金为反应物、Ag20为氧化剂,进行AgSnO2复合材料的反应合成,从计算结果可以发现,绝大多数可能发生的反应吉布斯自由能均远远小于零,证明这些反应从热力学角度来讲是可以进行的。但热力学分析难于对反应中各生成相的稳定性及反应方向做出严格的判断。 根据相图及晶体结构参数,建立了Ag-Sn合金在不同反应阶段的反应物、过渡相、生成物以及它们在发生氧化还原反应之后的银锡氧模型。 第一原理计算结果表明,Ag-15wt%Sn合金反应合成AgSnO2复合材料中,形成SnO2的反应方向应是在富锡区进行,而不是在富银区。反应方向是:Ag4Sn→Ag4Sn+Ag3Sn→Ag3Sn→Ag3Sn+Sn(Ag)固溶体→Sn(Ag)固溶体。 对Ag6O2/SnO2和Ag/SnO2的晶胞能进行了比较,结果发现,Ag6O2/SnO2的晶胞能比Ag/SnO2的晶胞能更低、更稳定。物相分析的结果证实了理论分析的正确性,暨Ag6O2可稳定存在于SnO2中。 从形成焓和布居两方面确定了Ag-Sn-O体系中,相的稳定性按照以下顺序由大到小:SnO2> Ag6O2> SnO> Ag2O。 在AgSn合金氧化过程中,Ag2O分解释放出自由O原子,O原子的运动方式以间隙机制为主,Sn的扩散运动则为置换机制。 本论文的研究结果,不仅从理论上阐明了反应合成AgSnO2复合材料显微结构形成机制、组织均匀化原理、材料显微结构与性能关系、反应合成机制,丰富和完善了金属基复合材料的基础理论,而且可以用于AgSnO2复合材料的应用实践。……   
[关键词]:AgSnO_2复合材料;反应合成;显微组织均匀化;有限元分析;电接触特性;分子动力学模拟;反应合成机制;第一原理计算
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:昆明理工大学2009年