基于微观定向骨架结构Cu-W复合电触头材料的静熔焊性能

doi:10.11901/1005.3093.2021.579

基于微观定向骨架结构Cu-W复合电触头材料的静熔焊性能

韩颖^,¹, 秦杰¹, 曹云东¹, 李述军^,²

1.沈阳工业大学电气工程学院沈阳 110870

2.中国科学院金属研究所沈阳 110016

Investigation on Static Fusion Welding Performance of Cu-W Composite with Microscopically Oriented Skeleton Structures

HAN Ying^,¹, QIN Jie¹, CAO Yundong¹, LI Shujun^,²

1.School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China

2.Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

通讯作者: 韩颖,hany_dq@sut.edu.cn,研究方向为现代电器设计及关键技术;李述军,研究员,shjli@imr.ac.cn,研究方向为金属材料增材制造

责任编辑: 吴岩

收稿日期: 2021-10-09 修回日期: 2021-11-16

基金资助:

国家自然科学基金(51977132)
辽宁省自然科学基金(2019-MS-249 & LACT-007)
重点实验室装备预先研究基金(6142A03203002)

Corresponding authors: HAN Ying, Tel: 13478250188, E-mail:hany_dq@sut.edu.cn;LI Shujun, Tel: 13840185937, E-mail:shjli@imr.ac.cn

Received: 2021-10-09 Revised: 2021-11-16

Fund supported:

National Natural Science Foundation of China(51977132)
Natural Science Foundation of Liaoning Province(2019-MS-249 & LACT-007)
Opening Project of National Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics(6142A03203002)

作者简介 About authors

韩颖,女,1979年生,副教授

摘要

设计了四边形、六边形和菱形十二面体微观定向骨架结构的Cu-W复合材料,研究其静熔焊性能并与无序骨架结构的Cu-W复合材料对比。根据流体力学理论,用有限元法分析不同时刻几种微观结构复合材料的温度和传导热通量并计算了导热系数。结果表明,具有微观定向骨架结构的Cu-W复合材料其接触电阻更低和更稳定,其中菱形十二面体骨架结构复合材料的接触电阻最小且更易形成导热链,更大程度地降低了区域热阻。根据马兰戈尼效应比较了不同微观结构复合材料的熔池形态,发现Cu、W两相材料规则的排列分布使其静熔焊侵蚀的范围明显减小,菱形十二面体骨架复合材料的侵蚀程度最低。

关键词： 复合材料; 微观定向结构; 静熔焊; 接触电阻; 熔化相变

Abstract

The Cu-W composites with three different microstructures, namely quadrilateral, hexagonal and rhomboidal microdirectional skeleton structure were designed and prepared, and their static welding properties were investigated, by taking the Cu-W composites with disordered skeleton structure as comparison. According to the principle of fluid mechanics, the variation of temperature and conduction heat flux for composites of various macrostructures with time were analyzed by means of finite element method, and their thermal conductivity was calculated. The results show that the contact resistance of Cu-W composites with microscopically oriented skeleton structure is lower and more stable, among others, the composite with rhombic dodecahedral skeleton has the lowest contact resistance, and where may exist a heat conducting chain, and even an uniformly distributed heat conducting network, which reduces the regional thermal resistance to a greater extent. According to the Marangoni effect, the molten pool morphology of the composites with different microstructures is compared, and it is found that the regular distribution of Cu and W two-phase materials can facilitate the reduction of the size of aggressed area induced by the static fusion welding, accordingly the rhomboidal dodecahedron matrix composites have the lowest aggressed area.

Keywords： composite; micro-oriented structure; static welding; contact resistance; melting phase transition

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本文引用格式

韩颖, 秦杰, 曹云东, 李述军. 基于微观定向骨架结构Cu-W复合电触头材料的静熔焊性能[J]. 材料研究学报, 2022, 36(10): 769-776 DOI:10.11901/1005.3093.2021.579

HAN Ying, QIN Jie, CAO Yundong, LI Shujun. Investigation on Static Fusion Welding Performance of Cu-W Composite with Microscopically Oriented Skeleton Structures[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2022, 36(10): 769-776 DOI:10.11901/1005.3093.2021.579

电触头材料的熔焊故障,是开关设备触头接触失效的主要原因。熔焊分为静熔焊和动熔焊^[1,2],静熔焊是接触电阻产生的焦耳热使触头材料熔化而发生粘连,动熔焊是电弧使触头材料蒸发喷溅和产生质量损失^[3]。统计结果表明,熔焊失效占触头失效的60%以上^[4]。提高电接触材料的抗熔焊性及导热、散热能力的工作,包括表面包覆、掺杂改性、纳米化增强相以及优化制造工艺。孙贤贤等^[5]分别将铜纳米线和银颗粒加入石墨烯基体中,发现这两种纳米复合材料的致密度极高,石墨烯呈层状定向排列,两种三维石墨烯复合材料均具有较好的热稳定性。叶晨琳^[6]用共沉淀法和水热法制备具有反尖晶石结构的立方体 $Z n_{2} S n O_{4}$ 纳米粉体,对其改性制备出 $A g / Z n_{2} S n O_{4}$ 复合电接触材料,发现其电阻率和相对致密度优良,电弧侵蚀的质量损失较小。马窦琴^[7] 研究了钨铜复合材料的微观结构,发现细晶钨铜复合材料的材料转移倾向小,接触电阻小并且稳定,细小的 W 颗粒能减轻喷溅侵蚀和接触电阻的波动。朱艳彩等^[8]用液相原位化学法制备纳米 $S n O_{2}$ 复合粉末,观察复合粉末的微观组织结构并优化工艺参数,发现添加稀土氧化物可提高触头的抗熔焊性。李文虎^[9]通过等离子体改性和直流电沉积法制备石墨膜/铜复合材料并表征分析高导热石墨膜/铜复合材料的微观结构,发现其导热、散热效果均优于石墨膜。陈俊杰等^[10]研究了石墨烯基聚合物基复合材料的宏观热性能,发现石墨烯基聚合物基复合材料的热性能取决于复合材料内部微观结构和原子的相互作用,在石墨烯之间引入碳交联网络结构可降低低热边界电阻和提高热传导率。

近年来,受到大自然生物体微观结构启发,各国学者研究了有序微结构对复合材料导电和导热特性影响。张晓萌等^[11]将高度取向结构引入到复合材料并使不同功能的填料在厚度方向上有序交替排布,从而使其导电性能和力学性能提高。为了制备导电高分子薄膜材料,王玉霜^[12]在有序排列的亚微米PS微球表面电化学沉积一定量的导电聚苯胺,发现有序亚微米PS/PAN复合材料的导电性能和氧化还原性得到很大提高。宋品^[13]用取向冷冻法构筑新型的有序结构三维组装体材料并调整参数和灌注聚合物弹性体,使其机械性能和导电性能提高。李双雯^[14]利用聚合物与有序阵列的相互作用,控制其结构取向的有序性,制备多种一维定向有序复合材料,提高其力学、导电、导热性能。英俊峰等^[15]开发设计了一种由高度结晶和水平排列的石墨烯片组成的互连和高度有序的石墨烯框架,嵌入环氧树脂使HOGF/EP复合材料的导热性能大幅提高,表明高度有序的微观排列结构对材料的结构设计有指导价值。卢舒欣^[16]研究发现,具有有序孔结构的多孔陶瓷的有效热导率与孔隙率有关,且有序排列的孔结构可提高孔结构方向上的力学性能。也有设计仿生结构的提高材料的电、热、力综合性能。孙云娜等^[17]为了提高复合材料的热性能提出类似于叶脉系统的网纹仿生结构,其热阻较小且对结构有支撑作用,使机械结构更加稳定。雷永鹏^[18]基于丝瓜微结构的超轻仿生结构设计一种类似泡沫金属的新型多孔结构材料,发现具有比工程常用材料更高的强度和较低的有效导热系数,表明改变孔隙的排列分布可改变其导热系数。孙奉强^[19]受蠕虫身体结构的启发制备了蠕虫状仿生结构石墨烯/聚氨酯导电纤维,发现该结构的石墨烯/聚氨酯导电膜成膜性逐渐变差,电导率逐渐提高,具有良好的弹性回复性和稳定性,耐久性能更加出色。

韩颖等^[20]采用熔渗法制备了具有微观定向W片层骨架结构Cu-W复合材料,发现其在沿片层方向上呈现出更高的导电性能与压缩强度。本文研究微观W骨架结构对Cu-W复合材料静熔焊性能的影响。

1 计算模型

1.1 几何模型

蜻蜓翅膀中类似四边形网格的主脉和类似六边形网格的从脉起主要的承重作用,且翅脉的拟自相似特征具有良好的输运特性,如图1所示,这种拟自相似特征已经应用于设计电子元件微流道散热结构。受蜻蜓翅脉的启发,将其仿生结构用于设计触头微观结构。兼顾触头结构的稳定性和输运电流与热流能力的特性,设计了四边形、六边形以及菱形十二面体微观定向骨架结构Cu-W复合材料电触头。

图1

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图1 蜻蜓翅脉的微观形貌

Fig.1 Micro morphology of dragonfly veins

触头闭合时,导电斑点在短时耐受电流的作用下接触斑点间的电流密度急剧增大,焦耳热使接触斑点及附近的触头材料温升甚至熔化,冷却后触头粘连甚至接触失效。本文以单斑点接触的电触头模型作为研究对象,将接触斑点简化为圆柱形对称结构,分析CuW60触头复合材料接触斑点附近的局部结构单元。四边形、六边形及菱形十二面体W骨架结构复合材料的每个微观单元的横截面积与厚度均相等,Cu相与W相的材料含量相同,复合材料局部结构模型的尺寸为54 μm×54 μm×20 μm,接触斑点为半径4 μm,长度4 μm的圆柱,四边形、六边形、菱形十二面体骨架结构以及无序分布结构的电触头局部结构单元的几何模型如图2所示,图中金色为Cu相,银灰色为W相,其中菱形十二面体微观结构单元的W骨架如图3所示。

图2

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图2 具有四边形、六边形、菱形十二面体骨架结构及无序骨架结构的 Cu-W复合材料模型

Fig.2 Geometric model of Cu-W composite with quadrilateral (a), hexagon (b), rhombic dodecahedron (c) and disordered (d) framework structure

图3

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图3 菱形十二面体微观结构单元W骨架

Fig.3 Rhombic dodecahedron unit cell of W framework

1.2 物理模型

本文研究触头材料的导热性能,分析电触头的温度变化和熔化相变的过程。使用COMSOL Multiphysics的热传模块可以分析整体设备、零部件的热效应,实现电-磁-热多物理场耦合,根据几何模型的复杂程度合理地剖分网格,因此使用该软件进行仿真模拟。文中主要传热方式为热传导,根据流体力学(CFD)理论和质量守恒、动量守恒、能量守恒定律,考虑马兰戈尼效应的作用用有限元方法分析计算。

流体动力学控制方程：

质量守恒方程

\frac{\partial ρ}{\partial t} + \nabla \cdot (ρ ν) = 0

(1)

动量守恒方程

\frac{\partial (ρ υ_{i})}{\partial t} + \nabla \cdot (ρ υ_{i} ν) = - \frac{\partial p}{\partial x_{i}} + \nabla \cdot (η g r a d υ_{i}) + \vec{F}

(2)

能量守恒方程

\frac{\partial (ρ C_{p})}{\partial t} + \nabla \cdot (ρ C_{p} ν) = \nabla \cdot (K_{e q} g r a d T) + Q

(3)

式中 $ρ$ 为密度, $k g / m^{3}$ ；t为时间, $s$ ；v为速度, $m / s$ ； $η$ 为动力粘度, $P a \cdot s$ ； $p$ 为压力, $N$ ； $C_{p}$ 为比热容, $J / (k g \cdot K)$ ； $K_{e q}$ 为导热系数, $K / (m \cdot K)$ ； $F$ 为体积力, $N$ ； $Q$ 为焦耳热,W/m³。

热传导方程：

ρ C_{p} \frac{\partial T}{\partial t} = K \nabla^{2} T - Q_{L}

(4)

式中 $Q_{L}$ 为单位时间内一定体积材料因相变熔化(或凝固)而吸收(或释放)的热量,J。

可用方程

Q_{L} = ρ L \frac{d α}{d t}

(5)

描述熔化相变。式中 $L$ 为铜的熔化潜热,J/g； $α$ 为体积熔化百分数；当温度高于熔点时 $α$ 为1,温度低于熔点时 $α$ 为0。

在闭合状态下复合材料的温升过程,只需考虑复合材料与周围气体的自然对流换热,对流换热系数表征流体与固体表面之间的换热能力,与物体的形状、流体的流速等有关。物体表面的对流换热系数为

α = \frac{N_{u} λ_{a}}{l}

(6)

式中 $N_{u}$ 为努塞尔特准数； $λ_{a}$ 为空气导热系数； $l$ 为传热面的特征尺寸。文中自然对流换热系数取7 W/(m²·K)。

本文对所用的模型做以下假设：(1)大功率直流继电器的灭弧室为充气式密封结构,忽略膜电阻的影响；(2)液桥的尺寸为微米量级,在极微小的空间中磁场的影响可忽略不计；(3)不考虑热辐射的作用；(4)只仿真分析金属液桥的熔化过程,不考虑材料相变过程中的蒸发、喷溅,忽略蒸发和喷溅导致的质量损失；(5)由于触头材料处于闭合状态,不考虑液桥的拉伸变形。

2 仿真结果和分析

大电流流过闭合状态下的电触头复合材料时,温升效应使静熔焊发生侵蚀现象。本文将复合材料的静熔焊分为两个阶段：材料温度达到熔点前为预加热阶段；温度达到熔点后材料发生熔化相变,为加热阶段。重点研究静熔焊阶段的导热性能和加热阶段的熔池形成过程。

2.1 温度

材料温度的变化,是其导热性能的重要体现。对四边形、六边形、菱形十二面体W骨架结构以及无序W骨架结构复合材料模型施加相同的电流,观察接触斑点中心处的平均温度变化和静触头材料表面温度分布。几种不同结构的复合材料其接触斑点中心处平均温度变化,如图4所示,由高到低依次为无序>六边形>四边形>菱形十二面体W骨架结构复合材料；四边形、六边形、菱形十二面体以及无序分布W骨架结构复合材料表面温度分布,如图5所示。可以看出,在任意时刻所有结构的复合材料表面最高温度均在接触斑点处。无序结构的最高表面温度比微观定向W骨架结构复合材料的高,而有序W骨架结构复合材料中表面最高温度依次为六边形>四边形>菱形十二面体W骨架复合材料。

图4

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图4 具有不同微观W骨架结构Cu-W复合材料接触斑点中心的平均温度

Fig.4 Average temperature in contact spot center of Cu-W composites with different W framework

图5

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图5 具有四边形、六边形、菱形十二面体及无序W骨架结构Cu-W复合材料的表面温度分布

Fig.5 Surface temperature distribution of Cu-W composites with quadrilateral (a), hexagonal (b), rhombic dodecahedron (c) and disordered (d) W framework

在闭合状态下复合材料的温度,反应其接触电阻产生的热量。当电流一定时,复合材料的温度与其接触电阻成正比,接触电阻越大温度越高。复合材料的温度仿真结果表明其微观结构对接触电阻有显著影响,微观结构不同导致接触电阻大小不等,且无序结构复合材料的接触电阻高于具有微观定向骨架结构的复合材料,接触电阻由小到大依次为菱形十二面体<四边形<六边形<无序骨架复合材料。

2.2 传导热通量和导热系数

与热传导相比,本模型中极狭小空间内的热对流和热辐射基本上可忽略不记。传导热通量

Q = q \cdot S \cdot t = (C_{m}) \cdot n \cdot (T_{2} - T_{1})

(7)

表征单位面积内的传热速率。式中 $Q$ 为热量； $q$ 为传到热通量； $S$ 为截面面积； $t$ 为时间； $C_{m}$ 为摩尔热容,与压强有关； $n$ 为摩尔数； $T_{1}$ 为冷表面温度, $T_{2}$ 为热表面温度。

同一时刻几种结构的传导热通量,如图6所示。接触斑点与触头表面相接处的传导热通量最大,表面最大传导热通量由大到小的排序为无序>六边形>四边形>菱形十二面体骨架复合材料；随着热量由温度高的表面向温度低的表面传递,传导热通量逐渐趋于稳定,具有四边形、六边形、菱形十二面体骨架结构以及无序分布结构的复合材料,其表面平均传导热通量分别为 $1.27 \times 10^{11}$ 、 $1.63 \times 10^{11}$ 、 $1.26 \times 10^{11}$ 和 $1.66 \times 10^{11}$ W/m²,可见几种微观结构的整体传热速率由高到低的排序为无序>六边形>四边形>菱形十二面体骨架复合材料。

图6

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图6 具有四边形、六边形、菱形十二面体及无序分布W骨架结构Cu-W复合材料加热阶段的传导热通量

Fig.6 Conduction heat flux during heating stage in Cu-W composite with quadrilateral (a), hexagon (b), rhombic dodecahedron (c) and disordered (d) W framework

根据最小热阻法和等效导热系数法则,当复合材料整体与微观单元具有相同的比等效热阻时,整体与微观单元的等效导热系数相同。具有四边形、六边形、菱形骨架结构的复合材料,其微观导热单元如图7所示,图中基体材料为W,弥散材料为Cu,三种结构的微观导热单元均视为体积与截面积相等,将四边形与六边形微观单元分为图中所示的三部分,则等效导热系数分别为

λ_{1} = λ_{3} = λ_{b}

(8)

R_{1} = R_{3} = \frac{L}{λ_{b} A}

(9)

λ_{2} = λ_{b} \frac{A_{b}}{A} + λ_{p} \frac{A_{p}}{A}

(10)

\bar{λ_{2}} = \frac{1}{d} \int_{0}^{d} λ_{2} d_{x} = \frac{1}{d A} (λ_{b} V_{b} + λ_{p} V_{p})

(11)

R_{2} = \frac{d}{\bar{λ_{2}} A} = \frac{d^{2}}{λ_{b} V_{b} + λ_{p} V_{p}}

(12)

λ_{e f f} = \frac{H}{(R_{1} + R_{2} + R_{3}) A}

(13)

其中A为横截面积； $λ$ 为导热系数；下标b、p分别表示基体连续相和颗粒分散相。计算结果表明,具有四边形和六边形骨架复合材料的等效导热系数分别为282和228 W/m·K,菱形十二面体骨架复合材料的等效导热系数近似为304.08 W/m·K。

图7

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图7 四边形、六边形、菱形十二面体 W骨架的微观导热单元示意图

Fig.7 Microscopic heat conduction unit schematic diagram of quadrilateral (a), hexagon (b) and rhombic dodecahedron (c) W framework

从上述结果可知,具有不同微观结构的复合材料其传导热通量不同,因为微观结构的改变使焦耳热的能量发生了变化；而导热系数不同的原因,是不同的微观结构形成的导热链及导热网络不同。对于本文研究的三种微观结构的复合材料,在微观上,菱形十二面体结构的W骨架形成了具有分形结构的骨架网络,四边形和六边形结构的W骨架形成了空间上平行的骨架网络,而菱形十二面体骨架结构的复杂化使其具有更高阶的分支通道,形成的导热网络分布更加均匀。分形网络能提高整体传热速率,分支级数越大传热能力越强^[21],因此,具有菱形十二面体骨架的复合材料能更大程度地降低区域热阻,使其导热系数更高。根据傅里叶热传导定律,热通量越小导热系数越高,则温度上升越慢。因此,在相同时间内菱形十二面体骨架复合材料表面的温度最低,与温度仿真结果一致。

2.3 熔池

熔池的受力,可分为体积力和液态金属表面张力。体积力作用于熔池内部,包括电磁力与浮力。液态金属表面张力作用于熔池表面,由表面张力系数随温度变化引起的Marangoni力是熔池由中心向周围扩散的主要原因,也是熔池流动的主要驱动力。与Marangoni力相比,电磁力和浮力可以忽略。

在加热阶段,复合材料触头的温度升至熔点并开始熔化,在Marangoni力的作用下熔池液态金属的流动范围随之发生变化(图8)；随着液态金属的扩散,熔池的体积逐渐增大。25 μs时四边形、六边形、菱形十二面体骨架结构以及无序分布结构复合材料的熔池形态,如图9所示。由图9可见,具有不同微观结构的复合材料,其熔池的整体形貌不同。随着熔化侵蚀的加剧微观定向结构复合材料的熔池边缘被W相包裹限制,而无序结构复合材料排列错乱分布,熔池中Cu相分布密集的区域持续扩散。

图8

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图8 具有四边形、六边形、菱形十二面体及无序分布W骨架结构Cu-W复合材料加热阶段不同时刻液态金属的扩散范围

Fig.8 Diffuse range of liquid metal at different moments duing the heating stage in Cu-W composite with quadrilateral (a), hexagon (b), rhombic dodecahedron (c) and disordered (d) W framework

图9

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图9 具有四边形、六边形、菱形十二面体及无序分布W骨架结构Cu-W复合材料25 μs时熔池的形态

Fig.9 Molten pool shape at 25 μs in Cu-W composite with quadrilateral (a), hexagon (b), rhombic dodecahedron (c) and disordered (d) W framework

为了进一步比较几种结构复合材料的熔化侵蚀情况,计算了熔池中液相的体积(图10)。结果表明,25 $u s$ 时液态金属体积大小的排序为无序>六边形>四边形>菱形十二面体骨架复合材料。其原因是,熔点较高的W骨架将Cu相隔绝开来,发生静熔焊时以接触斑点为中心的金属材料的侵蚀程度受到限制,不会发生持续扩散而发生大面积的熔化侵蚀。这表明,W骨架结构对抗静熔焊性能有显著的作用,具有菱形十二面体骨架的复合材料其性能最好。

图10

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图10 具有不同微观定向W骨架Cu-W复合材料熔池的液相体积

Fig.10 Liquid phase volume of molten pool in Cu-W composites with different micro-oriented W framework

3 结论

(1) 与无序W骨架结构复合材料相比,微观定向W骨架结构为四边形、六边形和菱形十二面体的复合材料具有更低而稳定的接触电阻,产生的焦耳热量较低；Cu、W两相规则排列能减小触头的静熔焊侵蚀范围,不会造成Cu相无序分布密集区域的熔化粘连,使其熔焊性能优于无序W骨架结构的复合材料。

(2) 在三种微观定向结构中,菱形十二面体W骨架结构复合材料具有最低且稳定的接触电阻,更易形成导热链及均匀的导热网络,使区域热阻降低和触头静熔焊的熔化范围明显缩小,熔焊性能更好。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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Z B

, Zhang

G S

, Qin

Q S

Static welding resistance of electric contact materials

[J]. Proc. CSEE, 1994, 14(1): 34