Ag包覆SnO2制备工艺及其性能研究

文章编号:１００１Ｇ９７３１(２０１６)０４Ｇ０４１８７Ｇ０４
A g包覆S n O２制备工艺及其性能研究∗
唐祁峰１,３,王㊀勇２,３,徐永红３,章㊀应３,魏晓伟１
(１．西华大学材料科学与工程学院,成都６１００３９;２．重庆大学材料科学与工程学院,重庆４０００４５;
３．重庆川仪总厂有限公司金属功能材料分公司,重庆４０４０００)
摘㊀要:㊀采用包覆工艺制备了A g S n O２电接触材料,通过分散剂种类㊁球磨时间㊁活化剂种类等工艺参数的优化,制备了性能合格的A g S n O２电接触材料.实验结果表明,聚乙二醇对S n O２颗粒具有较好的分散作用,但不能完全消除S n O２颗粒团聚;液态球磨能获得组织均匀的A g S n O２材料,但材料的电阻率过高;活化剂B i２O３和C u O 的加入能有效地提高材料的致密度和降低电阻率;在加入０．２５％B i２O３＋０．２５％C u O并液态球磨４h后的试样致密度为９８．２％,电阻率为２．２５μΩ c m.
关键词:㊀A g S n O２;电接触材料;化学镀;组织均匀性;活化剂;电阻率
中图分类号:㊀T M２０文献标识码:A D O I:１０．３９６９/j．i s s n．１００１Ｇ９７３１．２０１６．０４．０３８
０㊀引㊀言
A g M e O系电触头材料出现于２０世纪２０~３０年代,具有优良的耐电弧侵蚀㊁抗熔焊性能,以及低而稳定的接触电阻和良好的导电性[１Ｇ２].A g M e O系材料的代表A g C d O以前被称为 万能触头 材料[３].由于有毒元素C d对人体健康和自然环境造成很大危害,因此需要开发新一代无镉绿色触头材料[４Ｇ５].A g S n O２就是被认为最有可能代替A g C d O的电接触材料之一[６Ｇ７].
制备A g S n O２的工艺主要有两种,一种是以A g S n 合金内氧化获得;一种是采用粉末冶金工艺获得.前者在制造过程中必须加入铟(I n)等第三元素以加快内氧化速度,而铟的成本问题限制了该工艺的发展.使后者得到较快的发展[８Ｇ９].传统的粉末冶金法通常是将A g粉㊁S n O２粉以及其它粉末混合㊁压形㊁烧结成形[１０Ｇ１１].常规的混粉难以将S n O２颗粒均匀分布在A g 基体中,因此本文采用化学包覆的工艺来制备A g S n O２粉末,通过优化分散剂种类㊁球磨工艺㊁活化剂种类等因素来获得组织均匀㊁性能合格的A g S n O２材料.１㊀材料及方法
本实验所使用S n O２采用工业纯,粒度小于１００μm,A g的纯度为９９．９％,制备的材料成分为A g８８(S n O２)１２.实验用的聚乙二醇㊁酒精㊁硝酸㊁氨水以及水合肼均为化学纯,实验用水为去离子蒸馏水.
每次实验制备１００g A g S n O２粉末,其包覆过程为:(１)将１２g氧化锡粉加入分散液中,并进行液态球磨;(２)将８８g纯银溶入硝酸中,并加入氨水络合; (３)将球磨好的氧化锡倒入银氨络溶液中,并利用超
声震荡和机械搅拌共同作用使氧化锡均匀悬浮在溶液中;(４)用水合肼溶液将银粉还原出来,包覆在氧化锡粉表面,形成银氧化锡颗粒;(５)复合粉经清洗㊁烘干㊁压型㊁烧结得到试样.
实验采用L e i c a光学显微镜观察材料的金相组织,材料的密度采用排水法测量,试样测试时用薄石蜡层包封.电阻率用S B２２３０型直流数字电阻测试仪配合D QＧ１型电桥夹具测定,测量精度为０．０２％.
材料的密度用致密度(θ)表示,其计算公式为
θ＝ρ真实/ρ理论(１)㊀㊀式中,ρ真实和ρ理论分别为实验材料的实际密度和理论密度.
２㊀结果及分析
２．１㊀分散剂对A g S n O２组织的影响
图１为S n O２粉体未经球磨,直接加入分散剂分散后经A g包覆后制备的烧结体金相照片.从图１中可以看出,无分散剂的试样组织图１(a)中存在大量的尺寸集中在１５~６０μm的黑色S n O２颗粒镶嵌在A g基体中,说明S n O２颗粒与水的润湿性差,在水中会发生团聚.加入酒精作为分散剂后,试样组织图１(b)中的大S n O２颗粒数量明显下降,且多数颗粒尺寸在１０~２０μm之间,但也有个别颗粒尺寸大到６０~８０μm,说明酒精对S n O２颗粒分散效果的改进依然不明显.图１(c)是分散剂为聚乙二醇的试样组织,从中看到A g 基体中细小S n O２颗粒数量继续增加,大颗粒数量进一步减少,但没有完全消除S n O２颗粒聚集.说明在采用不同分散介质分散S n O２颗粒时,其分散效果的是聚乙二醇＞酒精＞纯去离子水,但分散剂不能根本解决
７８１４０
唐祁峰等:A g包覆S n O２制备工艺及其性能研究
∗基金项目:四川省教育厅一般资助项目(１４Z B０１２４);西华大学重点科研基金资助项目(z１３２０１０９)
收到初稿日期:２０１５Ｇ０５Ｇ２２收到修改稿日期:２０１５Ｇ０９Ｇ２４通讯作者:唐祁峰,EＧm a i l:t q f k m u s t＠１２６．c o m 作者简介:唐祁峰㊀(１９８１－),男,湖南祁东人,讲师,主要从事电接触材料研究.
S n O ２颗粒聚集,
需要通过其它手段来进一步分散S n O ２颗粒.
图１㊀添加不同分散剂下A g S n O ２的金相组织
F i g １A g S n O ２m
i c r o s t r u c t u r ew i t hd i f f e r e n t d i s p e r s a n t s ２．２㊀S n O ２颗粒液态球磨对A g S n O ２组织和性能的影
响球磨是一种较好的破碎S n O ２颗粒的方法.如对
包覆后的A g S n O ２粉体进行球磨,
会使粉体塑性变形,形成内应力,导致其加工性能下降.因此,实验对加入聚乙二醇作为分散剂的S n O ２颗粒进行了液态球磨,然后再进行A g 包覆,图２为不同球磨时间下的A g S n O ２
烧结体组织.
图２㊀不同球磨时间下的A g S n O ２金相组织
F i g ２A g S n O ２m
i c r o s t r u c t u r ew i t hd i f f e r e n t r o l l i n g t i m e ㊀㊀从图２中可以发现,在包覆前对S n O ２颗粒进行液态球磨有利于S n O ２颗粒在A
g 基体中的均匀化.球磨时间为０．５h 时,经包覆㊁压制㊁烧结后的组织中没有再出现２０μm 以上超大S n O ２颗粒,其大颗粒尺寸主要集中在５~２０μm 之间,但数量较多.随着球磨时间的延长,大颗粒数量和尺寸不断下降,球磨至４h 时,
大S n O ２颗粒较少,而且尺寸在５μm 左右,符合产品标准.球磨至６h 时,大S n O ２颗粒基本消失,S n O ２完全分散在A g 基体中.说明延长球磨时间能够获得组织合格的A g S n O ２组织.实验对不同液态球磨S n O ２颗粒时间下,
经烧结并复压后的A g S n O ２试样进行了密度和电阻率测试,
其结果见表１.
表１㊀不同液态球磨S n O ２颗粒时间A g S n O ２烧结后试样的致密度和电阻率
T a b l e１R e l a t i v ed e n s i t y a n de l e c t r i c a lr e s i s t i v i t y o
f A
g S n O ２s
a m p l ew i t hd i f f e r e n t r o l l i n g t i m e 球磨时间/h
０．５
１
２
４
６
致密度/％９４．１
９４．５９７．０９７．２９７．５电阻率/μ
Ω c m －１
２．８２２．８３２．７５２．７４２．７３㊀㊀从表１的结果可知,
随着球磨时间的延长,A g S n O ２试样的致密度不断升高,
电阻率则持续下降.球磨时间为０．５h 时,试样的致密度为９４．１％,电阻率为２．８２μΩ c m ,而延长球磨时间到４h 时,试样的致密度提高到９７．２％,电阻率下降到２．７４μΩ c m .继续延长球磨时间,试样的致密度和电阻率的变化较小.
８
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０２０１６年第４期(４７
)卷
说明随着球磨时间的延长,S n O ２颗粒不断破碎,颗粒尺寸更加细小,被A g 包覆后的粉体粒度分布更加集中,其压制性能提高,密度增加.组织均匀性的提高也使得电阻率下降.但是经液态球磨S n O ２颗粒的试样,在烧结过程中无收缩现象,说明烧结不充分,试样中存在一定量的细微孔洞,所以试样的致密度依然还有提升空间,其电阻率较高也没有达到产品要求的２．３~２．６μΩ c m .因此需要进一步改善工艺来提高其性能.２．３㊀活化剂对A g S n O ２组织和性能的影响
虽然液态球磨能有效解决S n O ２颗粒在A
g 基体中的聚集,但不能完全改善两者之间的润湿性.A g 和
S n O ２的润湿角为９
０ʎ,两者界面结合较差,烧结体中存在一定的微孔,导致试样的电阻率较大.而某些添加剂能够有效地改善A g 对S n O ２的润湿性,如王家真等的实验证明,加入７％的C u O 能使A g 和S n O ２的润湿
角从９０ʎ下降到２９ʎ[１２]
.因此本文在S n O ２球磨过程中
加入了活化剂,其加入量控制在试样总质量的０．５％,球磨时间为４h .试样选择了C u O 和B i ２O ３作为活化剂,加入不同活化剂后烧结体的组织见图３.并对试样进行了性能测试,其结果见表２.
图３㊀添加不同活化剂下A g S n O ２的金相组织
F i g ３A g S n O ２m
i c r o s t r u c t u r ew i t hd i f f e r e n t a c t i v a t o r s 表２㊀添加不同活化剂下A g S n O ２烧结后试样的致密
度和电阻率
T a b l e２R e l a t i v ed e n s i t y a n de l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o
f A
g S n O ２s
a m p l ew i t hd i f f e r e n t a c t i v a t o r s 添加剂无０．５％
B i ２O ３０．５％
C u O ０．２５％B i ２O ３
＋０．２５％C u O
致密度/％９７．２９７．４９７．７９８．２电阻率/μ
Ω c m ２．７４
２．６６２．４０
２．２５
㊀㊀结合图３和表２,单独添加０．５％B i ２O ３的试样中
S n O ２颗粒绝大部分均匀分布,但其性能提升较小,B i ２O ３活化效果甚微;单独添加０．５％C u O 的试样性能提升较大,但组织不均匀,存在少量尺寸在１０~１５μm
的大C u O 颗粒;而同时加入了０．２５％B i ２O ３＋０．２５％C u O 烧结后的试样组织均匀,
性能也有大幅度的提高,其致密度升高到９８．２％,电阻率从２．７４μΩ c m 下降到２．２５μΩ c m ,获得了较低的电阻率,符合产品要求,说明B i ２O ３和C u O 这两种活化剂同时添加的情况下,较好地改善了A g 对S n O ２的润湿性,
且有利于烧结成形.
实验还对加入０．２５％B i ２O ３＋
０．２５％C u O 作为活化剂的试样在烧结后进行了热挤压Ｇ冷轧制实验,图４为A g S n O ２板材的横向和纵向组织.从图４可以看到,经挤压和轧制后,S n O ２颗粒在压力和剪切力的作
用下进一步破碎,并使A g 发生塑性变形,使A g 与
S n O ２之间可能存在孔隙进一步压缩,增加了两者的结合度.
图４㊀热挤压Ｇ冷轧制后A g S n O ２的金相组织
F i g ４A g S n O ２m
i c r o s t r u c t u r e a f t e r h o te x t r u s i o n Ｇc o l d r o l l i n gp r o c e s s 在横向截面中,可以看出S n O ２颗粒分布更加均匀,组织更为细小;在纵向界面中A g 基体出现塑性变形,呈带状分布.对经热挤压Ｇ冷轧制的试样进行了性能测试,其致密度达到了９９．２％,电阻率为２．２２μΩ c m .
３㊀结㊀论
(１)㊀S n O ２颗粒在水溶液中容易团聚,加入分散９
８１４０唐祁峰等:A g 包覆S
n O ２制备工艺及其性能研究
剂能在一定程度上增加S n O ２的分散性,但无法完全消除S n O ２聚集.分散剂的分散效果顺序分别为聚乙二醇＞酒精＞纯去离子水.
(２)㊀对S n O ２颗粒进行液态球磨能有效改善
S n O ２团聚,
随着球磨的延长能获得组织均匀的A g S n O ２试样,但电阻率偏高.(３)㊀加入微量的C u O 和B i ２O ３,能提高A g S n O ２
试样的致密度和降低其电阻率.在加入０．２５％B i ２O ３
＋０．２５％C u O 并液态球磨４h 后的试样致密度为
９８．２％,电阻率为２．２５μΩ c m .经挤压Ｇ轧制变形后,其致密度会进一步升高,电阻率也会有所下降.参考文献:
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W E IX i a o w e i １
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０００４５,C h i n a ;３．C h o n g q i n g C h u a n y iM e t a l l i cF u n c t i o n a lM a t e r i a l sC o ．L t d ．,C h o n g q i n g ４
０４０００,C h i n a )A b s t r a c t :O p t i m i z i n g t h e p a r a m e t e r s o f t y p e o f d i s p e r s a n t ,t i m eo f b a l lm i l l i n g i n l i q u i da n d t y p
eo f a c t i v a t o r ,t h eA g S n O ２e
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a du n i f o r m o r g a n i z a t i o n ,
b u th a d h i g he l e
c t r i c a l r e s i s t i v i t y ;a c t i v a t o r o fB i ２O ３a
n dC u Oc o u l d e f f e c t i v e l y i m p r o v e t h e d e n s i t y a n d r e d u c e t h e e l e c Ｇt r i c a l r e s i s t i v i t y o fm a t e r i a l s ;t h e r e l a t i v e d e n s i t y a n d e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o fA g S n O ２w e r e ９８．２％a n d ２．２５μΩ c ma t b a l lm i l l i n g i n l i q u i do f S n O ２p a r t i c l ew i t h０．２５％B i ２O ３＋
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;a c t i v a t o r ;e l e c t r i c a l r e s i s Ｇt i v i t y
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