Untersuchung der Lichtbogenerosionsleistung von Ag-Ta₂AlC, einem neuen elektrischen Kontaktmaterial

Relais werden in großem Umfang in Beschleunigern, Satelliten, Raketen und verschiedenen Bereichen der Hochtechnologie eingesetzt. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Signalübertragung, der Fernsteuerung und bei Schutzschaltungen und wirken sich direkt auf die Sicherheit von Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsausrüstungssystemen aus. Die Auswahl des elektrischen Kontaktmaterials in einem Relais ist entscheidend für dessen Leistung.

Lichtbogenentladungen, die durch hohe Temperaturen, Hitze und Energie gekennzeichnet sind, sind während des Betriebs ein häufiges Phänomen. Folglich erodiert der Lichtbogen das elektrische Kontaktmaterial, was zu Kratern, verspritzten Partikeln, Zusammensetzungsänderungen und einer Leistungsminderung führt. Herkömmlich verwendete elektrische Kontaktmaterialien auf Silberbasis wie AgCdO und AgSnO2 leiden unter Chromtoxizität oder schlechter Benetzbarkeit und starkem Temperaturanstieg. Daher ist es notwendig, ein neues Verstärkungsphasenmaterial zu finden, um CdO- und SnO2-Materialien zu ersetzen.

Bei MAX-Phase-Materialien handelt es sich um einen Typ Keramikmaterial, das für seine gute elektrische Leitfähigkeit bekannt ist. Vor Kurzem wurde die Lichtbogenerosionsleistung von mit der MAX-Phase verstärkten elektrischen Kontaktmaterialien auf Silberbasis untersucht.

Kürzlich berichtete ein Team von Materialwissenschaftlern unter der Leitung von Xiaochen Huang von der Bengbu University in China erstmals über die Synthese, Mikrostruktur, physikalischen Eigenschaften (relative Dichte, Härte und elektrische Leitfähigkeit) und Lichtbogenerosionsleistung des Ag-Ta2AlC-Verbundwerkstoffs. Es wurde eine vergleichende Analyse der Lichtbogenerosionseigenschaften von Ag-Ta2AlC-Verbundwerkstoffen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen durchgeführt. Darüber hinaus wurden die mikrostrukturellen und chemischen Veränderungen in Ag-Ta2AlC-Verbundwerkstoffen beobachtet und experimentell aufgezeichnet. Der Mechanismus der Lichtbogenerosion und die Bildung der Morphologie wurden systematisch erklärt.

Das Team veröffentlichte seine Arbeit in Zeitschrift für moderne Keramik.

„In diesem Bericht wurden Ag-Ta2AlC-Verbundstoffe mit Volumenanteilen von 10 %, 20 %, 30 % und 40 % durch Heißpresssintern hergestellt. Die relative Dichte des Ag-10-Vol.-%-Ta2AlC-Verbundmaterials betrug 98,2 %.

„Mit zunehmendem Ta2AlC-Gehalt nahm die relative Dichte des Ag-Ta2AlC-Verbundwerkstoffs allmählich ab. Die Härte nahm zunächst zu und dann ab. Der Ag-Ta2AlC-Verbundwerkstoff mit 30 Vol.-% wies mit 97,4 HV die höchste Härte auf“, sagte Xiaochen Huang, außerordentlicher Professor an der Bengbu-Universität (China), ein Forscher, dessen Forschungsinteressen sich auf den Bereich der elektrischen Kontaktmaterialien auf Ag-Basis konzentrieren.

„Das Ag-30-Vol.-%-Ta2AlC-Verbundmaterial wies die niedrigste Lichtbogenenergie (3,395 kJ) und die kürzeste Lichtbogenzeit (33,26 ms) auf. Darüber hinaus verteilte sich der Lichtbogen auf der Oberfläche des Ag-30-Vol.-%-Ta2AlC-Verbundmaterials, was eine konzentrierte Lichtbogenerosion verhinderte und eine höhere Lichtbogenerosionsbeständigkeit unter den vier Komponenten aufwies“, sagte Huang.

„Die Oberflächenatome des Ag-Ta2AlC-Komposits absorbierten Energie, die die Austrittsarbeit von Ag und Ta2AlC überstieg, was zu ihrer Ionisierung führte. Ionisierte Sauerstoffatome verbanden sich mit Ta- und Al-Ionen und bildeten Ag2O, AgO, Ta2O5 und Al2O3“, sagte Huang.

Es stellte sich jedoch heraus, dass die Übergangsgrenze von der metallischen zur gasförmigen Phase eng mit der Lichtbogenspannung, dem Luftdruck, den Gasarten und Materialien zusammenhängt. Angesichts der Komplexität der Faktoren, die den Lichtbogenübergang von der metallischen zur gasförmigen Phase beeinflussen, war es notwendig, den Lichtbogenübergang von Ag-Ta2AlC unter Luftbedingungen weiter zu untersuchen.

Weitere Mitwirkende sind Xiaochen Huang, Liang Li und Jinlong Ge von der School of Material and Chemical Engineering der Bengbu University in Bengbu, China; Hao Zhao von der School of Chemical and Materials Engineering der Anhui Science and Technology University in Bengbu, China; Zijue Zhou von der School of Chemistry and Materials Engineering der Huainan Normal University in Huainan, China.