Ni、Mo共掺杂对SnO2材料性能影响的仿真研究

针对AgSnO2触头材料存在的不足,采用基于密度泛函理论的第一性原理对SnO2、Ni单掺杂、Mo单掺杂以及Ni-Mo共掺杂SnO2材料进行了电性能与力学性质的研究,计算了各体系的形成能、能带结构、态密度、弹性常数等各项参数。结果表明,掺杂后的材料可以稳定存在,且仍为直接带隙半导体材料。与未掺杂相比,掺杂后体系的能带结构带隙值减少,其中Ni-Mo共掺杂时的带隙值最小,载流子跃迁所需能量减少,极大地改善了SnO2的电性能;由弹性常数计算了剪切模量、体积模量、硬度等参数,其中Ni-Mo共掺杂时的硬度大幅降低,韧性增强,有利于AgSnO2触头材料后续加工成型,且其普适弹性各向异性指数最小,不易形成裂纹。综合各项因素,Ni-Mo共掺杂能够很好地改善SnO2的性能,为触头材料的发展提供了理论指导。

Ce-C共掺杂SnO_(2)导电性能和力学性质的第一性原理研究

AgSnO_(2)触头材料由于优异的性能成为代替AgCdO的电接触材料之一,但由于SnO_(2)导电性能较差以及硬度大,会使材料变脆,容易形成裂纹,降低了AgSnO_(2)触头的使用寿命。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了稀土元素Ce和C单掺杂以及共掺杂SnO_(2)的导电性能和力学性质。通过超晶胞结构优化后的能量计算,得到了超晶胞的晶格常数、掺杂形成能、能带结构、态密度、弹性常数和德拜温度。结果表明:通过掺杂后的带隙值减小,增加了杂化轨道,能够提高SnO_(2)的导电性能以及改善SnO_(2)的脆韧性,从而改善AgSnO_(2)触头的成型和使用寿命。相对于Ce、C单掺杂,Ce-C共掺杂时的电子有效质量减小,并且带隙宽度变窄,Ce-C共掺杂SnO_(2)的导电性能更好,硬度的改善更大。

Cr、La共掺杂SnO_(2)电子结构和力学性能的第一性原理研究

电触头材料AgSnO_(2)的第二相SnO_(2)是一种硬度高较脆,难以加工的宽禁带半导体材料。基于密度泛函理论的第一性原理和平面波超软赝势法,应用Materials studio软件下CASTEP模块建立Cr、La单掺、共掺SnO_(2)晶胞模型,掺杂比例为16.67%,几何优化后分别计算焓变值、电荷布局、能带结构、态密度、弹性模量,分析研究掺杂后SnO_(2)电学性能和力学性能的变化。结果表明,各SnO_(2)体系在热力学和动力学上都是稳定的,掺杂后Sn-O键布局数减小,Sn、O间电荷重叠减弱,O原子向杂质原子Cr移动,Cr-O成键能力强,共价性高,电子转移剧烈。掺杂后带隙值减小,导电性提高,其中Cr-La共掺SnO_(2)体系由于Cr 3d和La 5d轨道的杂化作用,在费米能级处形成杂质能级,电子跃迁所需能量大幅减小,导电性最好。力学性能方面,各SnO_(2)体系的剪切模量和杨氏模量变化趋势是相似的。单掺Cr可提高SnO_(2)抵抗剪切形变和弹性形变能力,硬度、刚度增强,韧性、延展性较差.单掺La和共掺Cr-La可提高SnO_(2)韧性,减小硬度,改善加工性能。

Cr-Y共掺杂AgSnO_(2)触头材料性能的仿真与实验

采用掺杂改性的方式改善AgSnO_(2)复合触头材料的电性能和加工性能。基于密度泛函理论的第一性原理,对掺杂Cr-Y、Cr-Ce的SnO_(2)超晶胞进行弹性常数的仿真计算,筛选出力学性能较好的稀土元素Y进行电性能的仿真与实验。从能带结构和态密度分析Cr、Y单掺杂和共掺杂对SnO_(2)电子结构的影响,结果表明,掺杂后SnO_(2)能带隙减小,电子跃迁所需能量降低。采用溶胶凝胶法制备掺杂的SnO_(2)粉末,并应用XRD对其进行物相结构分析,验证了掺杂离子进入SnO_(2)晶格,形成固溶体,能实现仿真建立的替代掺杂模型。采用粉末冶金法制备掺杂的AgSnO_(2)复合触头材料,测量其密度、硬度和电导率,掺杂后AgSnO_(2)触头材料电导率提高,其中Cr、Y共掺时物理性能最优,验证了仿真结果。使用JF04D型电接触触头材料测试系统对触头材料进行电接触性能试验,试验结果表明,掺杂Cr、Y可有效降低AgSnO_(2)触头材料的燃弧能量,改善抗电弧侵蚀性,抑制电弧对触头的烧蚀,稳定触头材料的抗电弧侵蚀性能、抗熔焊性能。