机械合金化法制备CuWCr复合材料及其真空电击穿性能的研究

论文摘要

真空断路器被广泛用于电力系统的众多领域,作为电力系统中最重要的开关设备之一,它担负着控制和保护的双重任务。随着电力系统不断地发展,真空断路器向着大容量、高电压、低过压、小型化和智能化的方向发展,对触头材料综合性能的要求日益提高。由于CuW合金的分断能力、截流水平和CuCr合金的抗侵蚀性能、抗熔焊性能和耐电压强度等均显一些不足,研发具有综合性能优异的触头材料势在必行。目前,国内外触头的材料研发和性能改善主要体现在添加强化合金元素和采用新工艺等方面。本文采用机械合金化法与常规烧结熔渗法分别制备了CuWCr复合材料和WCr合金,经过对比研究了显微组织与材料性能的关系,进一步研究了材料在真空高压中的电击穿现象,明确了阴极斑点运动特征和组织性能之间的关系,并对影响耐电压强度及截流值等电学性能的重要因素进行了分析。研究表明:1.采用机械合金化法可以制备不同Cr含量的W-Cr合金粉末;随球磨时间的增加,W-Cr粉末晶粒尺寸不断减小,Cr在W中的固溶度提高;随着Cr含量增加,制备W-Cr合金粉所需的球磨时间随之延长。2.在真空烧结环境下,采用机械合金化法可以制备晶粒细小、成分均匀和致密度高的CuWCr复合材料及WCr合金;与常规烧结熔渗法制备的CuWCr复合材料及常规烧结法制备的WCr试样相比,机械合金化法制备的CuWCr复合材料及WCr合金均具有高的硬度和致密度等优良静态性能。3.在真空电击穿过程中,与常规烧结熔渗法制备的CuWCr复合材料及常规烧结法制备的WCr试样相比,机械合金化法制备的CuWCr复合材料及WCr合金均具有优良的耐电弧烧蚀能力,其电弧烧蚀区域均匀分散,烧蚀坑深度浅;该材料具有较高的耐电压强度、低的截流值和长的电弧寿命等优良的电学性能,并且耐电压强度分布集中,没有明显的老炼现象。4.在所研究的范围内,随着Cr含量的增加,机械合金化法制备的CuWCr复合材料及WCr合金的硬度均随之增加,电导率降低,耐电压强度升高,截流值呈下降趋势,电弧寿命亦随之延长。5.WCr合金内电场模型表明,WCr合金组织的细化使电极表面的附加电场强度增强,导致因外加电场而改变的逸出功降低,增强了W相的电子逸出能力,使采用机械合金化法制备的WCr合金的电击穿以“连续”或“准连续”方式均匀发生在WCr合金表面;同样,采用机械合金化法制备的CuWCr复合材料的击穿弱相也发生了转变,电击穿以“连续”方式均匀发生在CuWCr复合材料表面。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 前言
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 机械合金化
• 1.2.1 机械合金化技术的研究现状
• 1.2.2 机械合金化法制备触头材料的研究现状
• 1.3 真空电击穿的理论研究
• 1.3.1 真空电击穿及影响因素
• 1.3.2 真空电弧及影响因素
• 1.3.3 阴极斑点及影响因素
• 1.4 CuWCr 复合材料的研究现状
• 1.5 本课题的主要研究内容
• 2. 材料制备及实验方法
• 2.1 材料制备
• 2.1.1 实验用原料的选择
• 2.1.2 工艺流程
• 2.1.3 材料制备中的工艺问题
• 2.2 材料的试样制备与性能测试
• 2.2.1 试样机械加工
• 2.2.2 金相试样制备
• 2.2.3 试样的电解抛光
• 2.2.4 材料性能测试
• 2.3 主要实验设备
• 3. 机械合金化法制备 W-Cr 合金粉末
• 3.1 实验方法
• 3.1.1 球磨罐的选择
• 3.1.2 球磨机转速的确定
• 3.1.3 球料比的确定
• 3.2 实验结果与分析
• 3.2.1 粉末机械合金化 XRD 分析
• 3.2.2 粉末机械合金化 SEM 分析
• 3.2.3 球磨时间对粉末特性的影响
• 3.3 W-Cr 粉末的机械合金化机理
• 3.3.1 机械合金化反应机制
• 3.3.2 机械合金化中的固态扩散
• 3.4 本章小结
• 4. MASI-CuWCr 复合材料的显微组织与性能
• 4.1 MAS-WCr 合金制备及其显微组织
• 4.1.1 试样制备
• 4.1.2 MAS-WCr 合金的显微组织
• 4.1.3 MAS-WCr 合金的性能测试
• 4.1.4 分析与讨论
• 4.2 MASI-CuWCr 复合材料制备及其显微组织
• 4.2.1 试样制备
• 4.2.2 MASI-CuWCr 复合材料的显微组织
• 4.2.3 MASI-CuWCr 复合材料的的性能测试
• 4.2.4 分析与讨论
• 4.3 本章小结
• 5. MASI-CuWCr 复合材料的真空电击穿性能
• 5.1 真空电击穿实验
• 5.1.1 实验电路和测量方法
• 5.1.2 耐电压强度的测量
• 5.1.3 截流值和电弧寿命的测量
• 5.2 真空电击穿机理
• 5.3 MAS-WCr 合金的真空电击穿
• 5.3.1 MAS-WCr 合金的阴极斑点
• 5.3.2 MAS-WCr 合金的耐电压强度及截流值
• 5.3.3 MAS-WCr 合金的内电场模型
• 5.4 MASI-CuWCr 复合材料的真空电击穿
• 5.4.1 MASI-CuWCr 复合材料的阴极斑点
• 5.4.2 MASI-CuWCr 复合材料的耐电压强度及截流值
• 5.4.3 分析与讨论
• 5.5 本章小结
• 6. 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果