金属陶瓷电器触头应用

为了满足电器对触头材料提出的各种复杂的，甚至是矛盾的要求，发展了金属陶瓷材料。

它是两相金属的机械混合物，每相金属各相保留原有的物理性能。两相金属中一相为难熔相，它的硬度高、熔点高，在高温和冲击作用下不变形，在电弧作用下不熔化，因此这相金属在材料中起骨架作用。这类金属有钨、钼、金属氧化物等。另一相金属为载流相，它主要起导电和导热作用。这类金属银、铜等。载流相金属熔点都比较低，在电弧高温作用下熔成液体，保留在难熔相金属骨架构成的空隙中，防止了熔化金属的大量喷溅，使触头电磨损大大减小。以下介绍几种常用的金属陶瓷材料：

（1）银-氧化镉 这种材料具有良好的耐电磨损、抗熔焊和接触电阻低而稳定的特点。它被广泛应用于中等功率的电器中。这种材料具有这些优良性能的原因是：

1）在电弧作用下氧化镉分解，从固态升华成气态（分解温度约900℃），产生剧烈蒸发，起着吹弧作用，并清洁触头表面；

2）氧化镉分解时吸收大量的热，有利于电弧的冷却与熄灭；

3）弥散的氧化镉微粒能增加熔融材料的粘度，减少金属的飞溅损耗；

4）镉蒸汽一部分重新与氧结合形成固态氧化镉，沉积在触头表面，组织触头的焊接。

氧化镉含量在12%~15%时可以得到最佳性能。如果在银-氧化镉中添加一些微量元素，例如硅、铝、钙等能进一步细化晶粒，提高耐电磨损性能。

（2）银-钨 这种材料具有银、钨各自的优点。随着钨含量的增加，耐电弧磨损和抗熔焊性能提高，但导电性下降。低压开关常用含钨30%～40%的材料，高压开关用含钨60%～80%的材料。

银-钨的缺点是接触电阻随触头开闭次数的增加而增大，严重者可达到初始值的十倍以上，因在分断过程中，触头表面会产生三氧化钨（WO₃)或钨酸银（Ag₂WO₄)膜，这种膜不导电，使接触电阻剧增。

（3）铜-钨 这种材料性能与银-钨相似，但比银-钨更容易氧化，形成钨酸铜（CuWO₄)膜，使接触电阻剧增。它不宜作空气开关触头，但可以作油开关触头。

（4）银-石墨 它的导电性好，接触电阻小，抗熔焊性能很好，缺点是电磨损大。一般石墨含量不超过5%。

（5）银-铁 有好的导电、导热、耐电磨损等性能，用于中、小电流接触器中比纯银触头的电寿命成倍提高。主要缺点是在大气中易生锈斑。

金属陶瓷兼有金属和陶瓷的优点，它密度小、硬度高、耐磨、导热性好，不会因为骤冷或骤热而脆裂。另外，在金属表面涂一层气密性好、熔点高、传热性能很差的陶瓷涂层，也能防止金属或合金在高温下氧化或腐蚀。金属陶瓷既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性，又具有陶瓷的耐高温 、耐腐蚀和耐磨损等特性。金属陶瓷广泛地应用于火箭、导弹、超音速飞机的外壳、燃烧室的火焰喷口等地方。

根据各组成相所占百分比不同，金属陶瓷分为以陶瓷为基质和以金属为基质两类。 金属基金属陶瓷通常具有高温强度高、密度小、易加工、耐腐蚀、导热性好等特点，因此常用于制造飞机和导弹的结构件、发动机活塞、化工机械零件等。陶瓷基金属陶瓷主要可以细分为以下几种类型：

1、氧化物基金属陶瓷。以氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍等为基体，与金属钨、铬或钴复合而成，具有耐高温、抗化学腐蚀、导热性好、机械强度高等特点，可用作导弹喷管衬套、熔炼金属的坩埚和金属切削刀具。

2、碳化物基金属陶瓷。以碳化钛、碳化硅、碳化钨等为基体，与金属钴、镍、铬、钨、钼等金属复合而成，具有高硬度、高耐磨性、耐高温等特点，用于制造切削刀具 、高温轴承、密封环、捡丝模套及透平叶片。

3、氮化物基金属陶瓷。以氮化钛、氮化硼、氮化硅和氮化钽为基体，具有超硬性、抗热振性和良好的高温蠕变性，应用较少。

4、硼化物基金属陶瓷。以硼化钛、硼化钽、硼化钒、硼化铬、硼化锆、硼化钨、硼化钼、硼化铌、硼化铪等为基体，与部分金属材料复合而成。

5、硅化物基金属陶瓷。以硅化锰、硅化铁、硅化钴、硅化镍、硅化钛、硅化锆、硅化铌、硅化钒、硅化铌、硅化钽、硅化钼、硅化钨、硅化钡等为基体，与部分或微量金属材料复合而成。其中硅化钼金属陶瓷在工业中得到广泛地应用。

WC-Co基金属陶瓷作为研究最早的金属陶瓷，由于具有很高的硬度(HRC 80~92)，极高的抗压强度6000MPa (600kg.N/mm)，已经应用于许多领域。但是由于W和Co资源短缺，促使了无钨金属陶瓷的研制与开发，迄今已历经三代：第一代是“二战”期间，德国以Ni粘结TiC生产金属陶瓷；第二代是20世纪60年代美国福特汽车公司添加Mo到Ni粘结相中改善TiC和其他碳化物的润湿性，从而提高材料的韧性；第三代金属陶瓷则将氮化物引入合金的硬质相，改单一相为复合相。又通过添加Co相和其他元素改善了粘结相。金属陶瓷研制的另一个新方向是硼化物基金属陶瓷。由于硼化物陶瓷具有很高的硬度、熔点和优良的导电性，耐腐蚀性，从而使硼化物基金属陶瓷成为最有发展前途的金属陶瓷。

金属陶瓷为了使陶瓷既可以耐高温又不容易破碎，人们在制作陶瓷的粘土里加了些金属粉，因此制成了金属陶瓷。金属基金属陶瓷是在金属基体中加入氧化物细粉制得 ，又称弥散增强材料 。主要有烧结铝(铝-氧化铝) 、烧结铍（铍-氧化铍）、TD镍（镍-氧化钍）等。由一种或几种陶瓷相与金属相或合金所组成的复合材料。广义的金属陶瓷还包括难熔化合物合金、硬质合金、金属粘结的金刚石工具材料。金属陶瓷中的陶瓷相是具有高熔点 、高硬度的氧化物或难熔化合物，金属相主要是过渡元素(铁、钴、镍、铬、钨、钼等）及其合金。

金属陶瓷是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的结构材料。其通过热喷涂或激光熔敷，气相沉积，湿法沉积等涂层技术形成的涂层为金属陶瓷涂层。

金属陶瓷涂层的应用

金属陶瓷涂层应用在水轮机密封转动支架上，可以提高转动支架密封表面的耐磨损能力,改善密封效果、降低维护费用,减少停机维修时间。在水电行业具有应用推广价值。 2100433B

金属陶瓷核燃料金属陶瓷核燃料辐照理论

金属陶瓷核燃料，就是要把裂变产物损伤限制在UO₂颗粒附近基体内，从而使它因辐照产生的性能变化很小。金属陶瓷中的弥散状态，则由UO₂颗粒尺寸及其在弥散体中的体积含量而确定下来。一般假设UO₂颗粒是等直径的球形，并且均匀分布在金属基体中，其排列方式有两种：一种是简单立方排列；一种是密集堆叠排列，即正四面体排列。前者排列松散，但颗粒间距紧凑，它对于稀疏的燃料颗粒排列是适当的模型；后者排列紧密，但颗粒间距较大。

从金属陶瓷燃料辐照理论出发，在整个燃料使用寿期内，使包围UO₂颗粒的未受裂变产物损伤的金属基体始终形成连续的网络。这就要求数据基体的体积份额占优势以及UO₂颗粒尺寸应比裂变碎片在UO₂中的反冲行程大得多，即UO₂颗粒间距要大到使受到裂变产物损伤的基体区域既不相碰，更不重迭。在满足这一要求的前提下，往往可以允许UO₂颗粒之间存在低浓度的裂变产物。因为这样来修正关于未受损伤的基体金属形成连续网络的概念，即所谓连续网络，不是以是否存在裂变产物为依据，而是以裂变产物对基体金属的物理和机械性能的有害影响在允许程度以下为依据，即允许有较小的颗粒间距和较大的燃料相体积份额。同时，如果受裂变产物损伤的基体区域中裂变产物含量过高的话，该损伤区将发生局部破坏，因此裂变产物从UO₂颗粒中逸出的份额应低于10%。还应把单位体积基体中的平均裂变产物浓度作为金属陶瓷核燃料性能变化的另一个适当度量，这个观点是认为基体局部损伤不受限制。

综上所述，从金属陶瓷核燃料辐照理论出发，在燃料相含量和燃料颗粒尺寸设计中，应同时满足颗粒排列、裂变产物浓度，单位体积基体中的平均裂变产物浓度等要求。

金属陶瓷核燃料金属陶瓷核燃料压力加工要求

在UO₂相含量和颗粒尺寸设计中，除依据金属陶瓷辐照理论外，还要考虑压力加工中的一些因素：

（1） 首先，UO₂颗粒愈小，愈容易做到均匀分散，通常要求颗粒尺寸为100～200 μm；

（2） 其次，由于这类燃料元件由热轧加工做成，热轧中，为保证燃料芯体有良好的流动性，防止UO₂颗粒嵌入包壳，又要求UO₂颗粒直径上限满足80～100 μm；

（3） UO₂颗粒尺寸很大或很小时都会使燃料芯体强度急剧下降，为此宜取50～100 μm；

（4） 压力加工要求燃料芯体及其包壳材料间的流动性能差别尽可能小，除使燃料芯体的基体金属与包壳材料相同外（为使其界面冶金结合），还要求燃料相含量不能太高。尽管国外已做出UO₂相体积含量达50%的UO₂-不锈钢金属陶瓷板元件，但在几个核反应堆中正式使用的UO₂-不锈钢金属陶瓷板，其UO₂相质量含量均在30%（相当于24.5%体积含量）之内； 相关文献认为，高于40%体积含量的金属陶瓷核燃料难度较大。

综上所述，从压力加工方面考虑，UO₂颗粒直径宜取为100 μm以下。