Étude des performances d’érosion par arc d’Ag-Ta₂AlC, un nouveau matériau de contact électrique

Les relais sont largement utilisés dans les accélérateurs, les satellites, les fusées et divers secteurs de technologie de pointe. Ils jouent un rôle crucial dans la transmission des signaux, la mise en œuvre du contrôle à longue distance et les circuits de protection, impactant directement la sécurité des systèmes d’équipements aérospatiaux et de défense. Le choix du matériau de contact électrique dans un relais est crucial pour ses performances.

Les décharges d’arc, caractérisées par une température, une chaleur et une énergie élevées, sont un phénomène courant pendant le fonctionnement. Par conséquent, l’arc érode le matériau de contact électrique, provoquant des cratères, des éclaboussures de particules, des changements de composition et une diminution des performances. Les matériaux de contact électrique à base d’argent traditionnellement utilisés, tels que AgCdO et AgSnO2, souffrent d’une toxicité du chrome ou d’une mauvaise mouillabilité et d’une forte augmentation de température. Par conséquent, il est nécessaire de trouver un nouveau matériau de phase de renforcement pour remplacer les matériaux CdO et SnO2.

Les matériaux de phase MAX sont un type de matériau céramique connu pour leur bonne conductivité électrique, et les performances d’érosion par arc des matériaux de contact électrique à base d’argent améliorés par phase MAX ont récemment été étudiées.

Récemment, une équipe de scientifiques des matériaux dirigée par Xiaochen Huang de l’Université de Bengbu, en Chine, a présenté pour la première fois la synthèse, la microstructure, les propriétés physiques (densité relative, dureté et conductivité électrique) et les performances d’érosion par arc du matériau composite Ag-Ta2AlC. Une analyse comparative des propriétés d’érosion par arc a été réalisée sur des composites Ag-Ta2AlC de compositions variées. De plus, les changements microstructuraux et chimiques dans les composites Ag-Ta2AlC ont été observés et enregistrés expérimentalement. Le mécanisme d’érosion par arc et la formation de la morphologie ont été systématiquement expliqués.

L’équipe a publié ses travaux dans Journal des céramiques avancées.

« Dans ce rapport, des composites Ag-Ta2AlC avec des fractions volumiques de 10 %, 20 %, 30 % et 40 % ont été fabriqués par frittage par pressage à chaud. La densité relative du matériau composite Ag-10 vol.% Ta2AlC était de 98,2 %.

« À mesure que la teneur en Ta2AlC augmentait, la densité relative du matériau composite Ag-Ta2AlC diminuait progressivement. La dureté augmentait initialement, puis diminuait. Le composite Ag-30 vol.% Ta2AlC présentait la dureté la plus élevée à 97,4 HV », a déclaré Xiaochen Huang, professeur associé à l’université de Bengbu (Chine), un chercheur dont les intérêts de recherche se concentrent sur le domaine des matériaux de contact électrique à base d’Ag.

« Le matériau composite Ag-30 vol.% Ta2AlC a montré l’énergie d’arc la plus faible (3,395 kJ) et le temps d’arc le plus court (33,26 ms). De plus, l’arc était dispersé sur la surface du matériau composite Ag-30 vol.% Ta2AlC, empêchant l’érosion de l’arc concentré et démontrant une résistance à l’érosion de l’arc plus élevée parmi les quatre composants », a déclaré Huang.

« Les atomes de surface du composite Ag-Ta2AlC ont absorbé de l’énergie, ce qui a dépassé la fonction de travail de Ag et Ta2AlC, ce qui a entraîné leur ionisation. Les atomes d’oxygène ionisés se sont combinés avec les ions Ta et Al pour former Ag2O, AgO, Ta2O5 et Al2O3 », a déclaré Huang.

Cependant, la limite de transition de la phase métallique à la phase gazeuse s’est avérée être étroitement liée à la tension de l’arc, à la pression de l’air, aux types de gaz et aux matériaux. Compte tenu de la complexité des facteurs influençant la transition de l’arc de la phase métallique à la phase gazeuse, il était nécessaire d’explorer plus en détail la transition de l’arc Ag-Ta2AlC dans des conditions d’air.

Parmi les autres contributeurs figurent Xiaochen Huang, Liang Li, Jinlong Ge de l’École de génie chimique et des matériaux de l’Université de Bengbu à Bengbu, en Chine ; Hao Zhao de l’École de génie chimique et des matériaux de l’Université des sciences et technologies d’Anhui à Bengbu, en Chine ; Zijue Zhou de l’École de chimie et de génie des matériaux de l’Université normale de Huainan à Huainan, en Chine.