三维互穿结构Cu-W触头抗熔焊机理

触头闭合回跳电弧引起的开关电器动熔焊问题,直接影响大功率接触器的电寿命和可靠性。为此设计了2种三维互穿有序结构的四边形和菱形十二面体的Cu-W复合材料触头,围绕触头动熔焊过程中的电弧、熔池、液滴溅射及凝固相变降温等问题,建立触头熔池流体动力学模型和冷凝降温数学模型,研究了2种有序结构和商用无序结构的触头阳极在闭合回跳电弧作用下熔化温度分布、熔池喷溅形貌和接触区域金属凝固过程,通过模拟熔焊实验平台进行了熔焊力验证。结果表明,通过调节三维互穿有序W骨架结构,能够有效抑制熔池扩散和液态金属喷溅,并降低熔焊力,从而提高Cu-W复合材料的抗熔焊性能。

消弧装置CuW电极微观侵蚀仿真与实验

针对高速大电流下CuW电弧侵蚀斑点的形成和发展,基于纳维-斯托克斯方程(N-S方程)、麦克斯韦方程组构建二维轴对称磁流体动力学模型,考虑金属材料在高压作用下沸点迁移和蒸发带走的热量及金属蒸汽的反冲压力,描述CuW合金在电弧侵蚀下熔池形成的动态演变过程,通过等效热熔法描述金属相变,用动网格描述CuW电弧斑点侵蚀面演化,模拟CuW金属界面烧蚀过程,根据温度分布、烧蚀坑形貌分析电弧的热、力作用对Cu-W两相材料熔池溅射及侵蚀的影响。电弧光斑转移后,对比了不同Cu粒径大小的Cu(X)W合金的电弧侵蚀、熔池溅射过程。结果表明:在电弧侵蚀过程中,W相分布对熔池扩散有明显的抑制作用,Cu(2.0)W合金烧蚀过程中,溅射角度及速度可达52.5°和120 m/s,烧蚀形貌更为均匀,最大程度避免局部区域严重侵蚀而导致材料失效现象。在两Cu相光斑相距较近时,邻近侧熔融Cu液滴溅射角度会相应增大10°左右。与电弧烧蚀后合金的微观形貌进行比对,验证了模型的可靠性。

[WS_(3)Cu_(2)]簇基超分子框的组装、结构及其三阶非线性光学响应

将二(4-吡啶)硫烷(L_(1))、4,4'-二(4-吡啶)二苯甲酮(L_(2))分别与(Et_(4)N)(Tp*WS_(3))(A)(Tp*=三(3,5-二甲基吡唑)氢合硼酸根)和[Cu(Me CN)_(4)]PF_(6)进行反应,得到2个W/Cu/S簇基超分子化合物[Tp*WS_(3)Cu_(2)(L_(1))]_(2)(PF_(6))_(2)·2Me CN·2CHCl_(3)(1·2Me CN·2CHCl_(3))和[Tp*WS_(3)Cu_(2)(L_(2))(Me CN)]_(2)(PF_(6))_(2)·4Me CN (2·4Me CN)。对配合物1·2Me CN·2CHCl_(3)和2·4Me CN分别进行了单晶X射线衍射、核磁、质谱、红外、紫外可见和元素分析表征。单晶X射线衍射分析表明,它们是由2个L_(1)/L_(2)配体连接2个[Tp*WS_(3)Cu_(2)]~+簇核形成的阳离子型簇基超分子框。核磁氢谱和高分辨电喷雾离子化质谱(HRESI-MS)证明它们在溶液中具有一定的稳定性。并利用Z扫描技术测试了超分子化合物1·2Me CN·2CHCl_(3)和2·4MeCN溶液的三阶非线性光学特性,测试结果表明它们的三阶非线性光学响应强于前驱体A。

基于骨架结构设计的高性能W10Cu材料制备及表征

用商用不规则W粉和球形W粉压制W骨架坯,经1800~2000℃真空烧结制备W骨架,在H_(2)气氛1350℃下熔渗Cu获得高致密W10Cu复合材料。结果表明:等离子球化W粉团聚消失,流动性更好,松装密度提升82%,相同压力下压坯密度提升15%。用球形W粉制备的W骨架可保持低的W-W连接度及良好的通孔率,为熔渗提供高品质骨架材料。W骨架经熔渗4h后获得W10Cu块体材料,其室温拉伸强度为680MPa,电导率为1.856S/m,比商用W10Cu的拉伸强度、电导率分别提升了41%、28%,可归因于低W-W连接度、Cu相良好的网状结构、Cu对W颗粒的包覆协同作用结果。本研究中新型低W-W连接度骨架结构设计可为高比重W、高通孔率W-Cu材料设计与开发提供思路。

纳米W-Cu复合粉体制备的研究进展

W-Cu复合材料结合了W、Cu金属各自优良性能,具有良好的高温强度、延展性、抗电弧烧结性、耐高温氧化和低膨胀系数等特点,广泛应用于机械加工、国防工业、航空航天、电子信息、军事等领域。以超细纳米W-Cu复合粉体为原材料是制备出性能优越的W-Cu复合材料的主要途径之一,受到国内外学者的广泛关注。主要总结了W-Cu超细纳米复合粉体的制备方法,如机械合金化法、化学共沉淀法、水热合成-共还原法、喷雾干燥法、溶胶-凝胶法、冷冻-干燥法、燃烧法等,并通过分析现阶段制备W-Cu纳米复合粉体存在的问题,提出了未来该领域的研究方向。

偏滤器部件中W/Cu模块传热的数值模拟分析

利用理论公式和CFX仿真分别对偏滤器部件中平板型W/Cu模块进行稳态热分析,获得了不同热流密度下W/Cu模块的温度场和应力场的变化。理论计算得到的对流传热系数约为52304W·(m^(2)·K)^(‒1),而用CFX仿真分析得到的为35168~52186W·(m^(2)·K)^(‒1)。此外,两种稳态热分析方式得到的W/Cu模块的温度场数值相近;在20MW·m^(‒2)热流密度下,W/Cu模块的温度场、应力场分析结果均超出了对应材料的许用范围,严重影响了偏滤器部件的稳定运行。

HfO_(2)掺杂对湿化学法制备W-20Cu复合材料微观组织和性能的影响

采用湿化学法制备W-20Cu复合粉体,通过喷雾干燥法得到球壳状前驱体,再通过氢气还原成功将弥散分布的HfO_(2)第二相颗粒引入W-20Cu复合粉体,确定了引入的HfO_(2)在W-20Cu复合粉体中的存在形式以及分布状态。采用高温液相烧结制备了细小HfO_(2)颗粒均匀分布的W-20Cu复合材料。结果表明:由于HfO_(2)颗粒在W颗粒表面和W/Cu界面间隙中弥散分布,抑制了W颗粒在烧结过程中的粗化,从而降低了W-W的连通性,使得W-20Cu复合材料表现出较高的综合性能。其中,烧结温度在1350℃时,块体的致密度较高,均为97%,掺杂0.5%HfO_(2)制备得到的复合材料综合性能最佳,其硬度最大可达到338HV,抗弯强度为826 MPa,热导率为209 W/(m·K)。

W-Cu复合材料的应用现状及掺杂改性的研究进展

W-Cu复合材料因具有高的硬度、耐磨性、抗烧蚀性能、导电性和导热性以及低热膨胀系数等综合性能而被广泛应用于多种工业领域。本文介绍了W-Cu复合材料的最新研究进展及其在电触头、微电子、军事、功能梯度材料方面的应用现状,着重总结和分析了目前W-Cu复合材料掺杂改性的分类及原理,以及掺杂改性对材料性能的影响,最后提出了W-Cu复合材料未来发展的潜在问题和值得关注的研究方向。

细晶80W-Cu材料制备及力学性能研究

利用雾化干燥法制粉烧结一种药型罩用细晶W-Cu的材料,并对其室温下的静态和动态力学性能进行测试,结合SEM扫描电镜观察其断口形态和组织冲击变形形貌。结果表明,W含量80%的细晶W-Cu材料密度为15.57 g/cm^(3),致密度为99.18%;细晶材料晶粒形貌规则,大小约为10μm,黏结相均匀包裹W颗粒。静态拉伸强度最大达到659 MPa,延伸率为8%。应变率在1500~5000/s范围内,细晶W-Cu冲击压缩强度最高达到1450 MPa,压缩试件的塑形变形主要体现为W颗粒压扁形变。

烧结温度对W-Cu合金微观组织及性能的影响

以W粉和Cu粉为原料,采用粉末冶金和无压烧结的方式,分别在900,1000,1100和1200℃下制备了W-Cu合金。通过对样品的微观组织分析、密度和冲击强度的测试,探讨了不同烧结温度下W-Cu合金的组织及其性能变化。结果表明,随着烧结温度的升高,合金微观组织中的孔隙先减少后增加。在1100℃时,可以得到综合性能最佳的W-Cu合金,其密度和冲击强度分别达到11.51 g/cm^(3)和18.78 kJ/m^(2)。

等离子体技术制备具有亚微米颗粒结构的球化W-Cu伪合金微粉

采用复杂多级方法研究并证实制备具有亚微米/纳米级内部结构的球形W-Cu复合微粉的可能性。首先,采用等离子体化学合成法制备具有核壳结构的W-Cu纳米粉末(W核及Cu壳)。然后,将W-Cu纳米粉末与蔗糖的水悬浮液进行喷雾干燥,形成25~63μm的微粒,收率为50%。最后,用热等离子体射流处理由纳米粉末组成的微粒,形成致密的球形W-Cu颗粒。成品粉末的球化度为90%~95%,体积密度为8.1 g/cm^(3),流动性约为12 s/50 g,杂质中O、C和H的含量(质量分数)分别为0.7%、0.02%~0.2%和0.03%~0.05%。

镶嵌靶磁控溅射Cu-W薄膜的结构与力学性能

为研究W含量对Cu-W薄膜的结构与力学性能的影响,用磁控溅射工艺制备Cu-W薄膜,靶材为镶嵌组合型。薄膜的成份、结构、表面形貌分别选用能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)和高分辨透射电镜(HRTEM)、扫描电镜(SEM)及原子力显微镜(AFM)进行表征。薄膜屈服强度σ_(0.2)和裂纹萌生临界应变ε_(c)、弹性模量E及显微硬度H分别用微小力测试系统和纳米压痕仪进行测试。结果表明,调整W靶的面积占比即可控制薄膜成分,当W靶的面积占比从5%增至25%时,Cu-W薄膜的W含量(原子分数)从2.30%逐渐提高到15.10%,且薄膜中存在fcc Cu(W)亚稳准固溶体。随W含量的增加,Cu-W薄膜的平均晶粒尺寸从28 nm逐渐减小至18 nm,准固溶度从1.30%(原子分数)W逐渐增至9.50%W,薄膜的表面光洁度提高。随W含量的增加,Cu-W薄膜的屈服强度σ_(0.2)和显微硬度H提高较为明显,弹性模量E稍有增加,而裂纹萌生临界应变ε_(c)则减小。Cu-15.10%W薄膜具有最小的平均晶粒尺寸和最高的表面光洁度,其屈服强度、硬度及弹性模量值最高(σ_(0.2)=0.86 GPa、H=6.1 GPa、E=123.5 GPa),裂纹萌生临界应变ε_(c)值为0.84%,综合力学性能最好。

组合靶共溅射沉积Cu-W复合薄膜的结构与性能

用嵌入组合型靶材,采用磁控共溅射方法,在单晶硅和聚酰亚胺衬底上制备Cu-W复合薄膜。分别运用能谱仪、X射线衍射仪、扫描电镜和原子力显微镜对Cu-W复合薄膜的成份、结构及表面形貌进行分析表征。选用微小力测试系统、纳米压痕仪及四探针仪分别测试复合薄膜的屈服强度σ_(0.2)和裂纹萌生临界应变ε_(c)、显微硬度H及电阻率ρ。结果表明:可通过调整组合型靶材环状溅射刻蚀区内W靶所占的面积比,有效地调控复合薄膜的W含量。随W靶的面积占比从6%增至30%,Cu-W复合薄膜的W含量从2.6 at.%增至16.9 at.%。W在Cu中的固溶度延展,复合膜内存在面心立方(fcc)Cu(W)亚稳固溶体,随复合膜中W含量增加,W在Cu中的固溶度从1.7 at.%W增至10 at.%W,复合膜的平均晶粒从32 nm减小至16 nm,表面光洁度提高。W含量增加时,复合膜的屈服强度σ_(0.2)、显微硬度H及电阻率ρ增加,而裂纹萌生临界应变ε_(c)减小。

磁控共溅射W-Cu复合薄膜的工艺优化及性能研究

采用磁控共溅射沉积工艺,结合正交试验方法制备W-Cu复合薄膜。用扫描电子显微镜(SEM)观察W-Cu复合薄膜表面形貌,能谱仪(EDS)分析复合薄膜成分。微小力测试系统、纳米压痕仪及四探针仪分别测试复合薄膜的屈服强度σ_(0.2)、裂纹萌生临界应变ε_(c)、显微硬度H及电阻率ρ。结果表明,靶功率密度PD、溅射气压P及靶基距D_(TS)这三个工艺参数影响W-Cu复合薄膜的成分、沉积率、微观结构及力学和电学性能。优化的工艺参数为:PD=10 W/cm^(2)、P=2 Pa、D_(TS)=150 mm。该工艺条件下制备的W-Cu复合薄膜中Cu含量为42.2%(原子分数),沉积率6.6 nm/min。其性能为σ_(0.2)=0.86 GPa,ε_(c)=0.62%,H=7.35 GPa,ρ=19.6μΩ·cm。该复合膜微观结构呈均质化特征,W和Cu组元分布均匀。

微观定向骨架结构Cu-W复合材料触头的抗动熔焊性能

触头闭合过程中回跳电弧的侵蚀会增加触头熔焊概率,甚至严重缩短接触器的使用寿命。为设计新型性能优良电接触材料,提高触头抗熔焊性能,首先设计了四边形、六边形、菱形十二面体3种微观定向骨架结构的Cu-W复合材料触头。然后基于磁流体动力学模型考虑电弧与阳极的能量传递建立了3维触头熔池模型,研究了触头阳极受电弧热力侵蚀过程,分析了触头表面的温度分布、熔池形貌,并进行了熔焊力预计。结果显示:微观定向骨架结构Cu-W复合材料触头受电弧侵蚀后,温度更低,形成的熔池体积更小,触头形变更小,与无序分布Cu-W复合材料触头相比展现出更好的抗电弧侵蚀能力。仿真与实验均表明,微观定向W骨架结构能够提升触头的导电、导热性能,降低强度,从而增强Cu-W复合材料触头的抗动熔焊性能。

微观定向结构Cu-W复合材料触头弹跳特性分析

以商用无序结构Cu-W触头及3种微观定向结构Cu-W复合材料触头为研究对象,建立接触器触头弹跳动力学模型、电磁模型以及触头力学模型,实现接触器机电磁多物理场耦合仿真分析,研究3种微观定向结构和商用无序结构Cu-W触头承受载荷后的应力、应变差异,以及对触头弹跳的影响。最后,通过试验验证,发现微观定向结构触头的弹跳幅值更小,弹跳时间更短。结果表明微观定向结构Cu-W复合材料触头对比商用无序结构Cu-W触头具有良好的抗弹跳特性,其中菱形十二面体骨架结构Cu-W触头抗弹跳特性最优。

基于SPS工艺制备的W-25 mass%Cu复合材料的组织与性能

采用放电等离子烧结(SPS)制备了W-25 mass%Cu复合材料,研究了烧结温度(900、950、1000、1050℃)对W-25 mass%Cu复合材料微观组织和性能的影响规律,重点研究了其耐电弧烧蚀行为。结果表明:采用SPS工艺制备的W-25 mass%Cu复合材料的组织分布均匀;随着烧结温度的升高,复合材料的致密度、导电率和硬度呈现出先增加后减小的趋势。当烧结温度为1000℃时,W-25 mass%Cu复合材料的综合性能最佳,其致密度、导电率和硬度最高,分别为96.7%、42.86%IACS和205.5 HB;压缩强度和断裂应变取得最大值,分别是875 MPa和26%。W颗粒的动力学生长行为研究结果表明晶格扩散是W颗粒长大的主导机制。在电弧烧蚀过程中,随着烧结温度的升高,W-25 mass%Cu复合材料表面的侵蚀区域先变小后增大、烧蚀坑逐渐变浅、烧蚀坑直径变宽。与900℃烧结制备的W-25 mass%Cu复合材料相比,1000℃烧结制备的W-25 mass%Cu复合材料的烧蚀坑直径扩大了47.3%,烧蚀坑深度降低了50%。

电触头用Cu-W合金的微观组织及抗烧蚀机理研究

通过熔渗法制备了真空断路器触头用Cu-70W,Cu-80W和Cu-90W(%,质量分数)合金,并通过激光烧蚀实验测试其抗烧蚀性能。通过实验验证及建立传热-流场耦合数学模型探究了Cu-W合金激光烧蚀过程,并解释了其抗烧蚀机理,阐明了W含量及激光功率对合金烧蚀行为的影响机制。计算和实验结果表明,激光能量沿光斑中心向外呈高斯分布,合金中靠近光斑中心和远离光斑中心的区域由于受热量递减会分别蒸发和熔化。Cu-W合金局部受热熔化,激光加热区域附近将出现沿区域中心向外发散的温度梯度,显著影响周围流场,使中心高温气流向四周低温区域流动,从而使合金熔体飞溅。通过仿真计算及实验验证,发现W的烧蚀深度约为50μm,远低于Cu的烧蚀深度(>100μm),表明高熔点的富W相可以通过减小烧蚀深度来显著提高Cu-W合金的耐烧蚀性。计算与实验结果呈现较高的匹配性,这将有助于数学模型在合金激光加工领域的应用。

KBT CuW铁电陶瓷晶粒异常生长和巨介电性能研究

为了探究Cu/W掺杂对K_(0.5)Bi_(4.5)Ti_(4)O_(15)(KBT)铁电陶瓷显微组织和介电性能的影响,文中采用固相反应法制备了K_(0.5)Bi_(4.5-x)Ti_(4-x)(Cu_(0.5)W_(0.5))_(2 x)O_(15)(KBT-CuW_(x),x分别为0.00,0.01,0.02,0.03)陶瓷。采用X射线衍射分析仪表征陶瓷的相结构,扫描电子显微镜分析陶瓷的显微组织形貌,利用精密阻抗分析仪测试室温下不同频率(100 Hz~107 Hz)的介电常数ε′和介电损耗tanδ,并测试不同温度(303~453 K)下的阻抗谱,最后利用Arrhenius公式计算得到KBT-CuW陶瓷电导率和温度关系。研究结果表明:KBT-CuW陶瓷为正交相结构并且伴有异常长大的晶粒出现;随着Cu^(2+)和W^(6+)含量的增加,陶瓷中大晶粒尺寸逐渐减小,数量逐渐增加,其介电常数显著提高,x=0.03陶瓷在100 Hz下介电常数达到了106;KBT-CuW陶瓷的低频巨介电响应与异常长大晶粒引起的缺陷偶极子和界面响应有关。

AlN覆钨对AlN/W-Cu复合材料组织和性能的影响

采用溶胶凝胶法对AlN粉体进行表面覆W后,将其与适量W粉混合,经压制、预烧结,制得多孔AlN/W骨架,再熔渗Cu后制备出不同AlN含量(0~8%)的AlN/W-Cu复合材料。考察了AlN含量对于烧结体微观组织、力学性能和热学性能的影响,并与由未覆钨AlN粉体制备的AlN/W-Cu复合材料进行对比。结果表明,采用溶胶凝胶法可在AlN颗粒表面均匀制备覆W层,其界面结合良好。覆钨AlN/W-Cu复合材料的相对密度、硬度、抗拉强度以及热导率均优于未覆钨AlN/W-Cu复合材料的。AlN/W-Cu复合材料的相对密度、抗拉强度及热导率随AlN含量的增加而降低,而硬度随AlN含量的增加而上升。当AlN含量为2%时,覆钨AlN/W-Cu复合材料的综合性能最佳,相对密度达到97.69%,显微硬度达到277HV,热导率达到205.54 W/(m·K)。