三元氧化物/铜电接触材料相界面结合特性对抗电弧烧蚀机制的影响

电接触材料是低压电器中实现电路控制、保证电路安全的关键元件。其中，银/氧化物电接触材料被广泛用于家电、工业制造、能源、军工等诸多领域。为了降低日益增长的贵金属Ag的使用，具有优异导电性、低成本的铜/氧化物电接触材料被认为是最好的潜在替代者。然而，在电弧作用下，表面不可逆地形成不导通的氧化铜、氧化亚铜相，恶化了铜/氧化物电接触材料的接触电阻；铜与常规氧化物（SnO2，ZnO， CuO）较差的润湿性使其抗电弧烧蚀性能差。多年来，研究者通过合金化延缓电弧烧蚀下Cu的氧化，掺杂改善氧化物与铜的润湿性，提高了铜/氧化物电接触材料的抗电弧烧蚀性能，但其电寿命仍然与银基有较大差距。

哈尔滨工业大学的甄良团队基于多年来对三元氧化物化学合成的研究，依据高温稳定性、化学稳定性和导电性，开发了一种有望取代银/氧化物的长电寿命新型三元氧化物Zn2SnO4/Cu电接触材料。通过第一性原理计算分析Zn2SnO4/Cu界面结合特性及其润湿机制，同时探讨了在烧蚀过程中相界面润湿性对第二相演变行为的影响，揭示了三元氧化物/铜电接触材料相界面结合特性对其抗电弧烧蚀机制的影响。

本文利用第一性原理计算对比研究了SnO2/Cu和Zn2SnO4/Cu的界面分离功（0.32 eV/Å2，0.64V/Å2），界面键长（Cu-O： 1.926-1.941 Å，1.832-1.929Å），差分电荷密度和态密度。结果表明，Zn2SnO4表面的O与Ag有更大程度的p-d轨道杂化，从而形成键长更短，更稳定的Cu-O极性共价键（SnO2/Cu的Cu-O键为离子键），使Zn2SnO4/Cu的界面分离功更大。该计算研究从原子层面预测和解析了Zn2SnO4与Cu两相优异的润湿性，Zn2SnO4/Cu的润湿角为40~60°，而SnO2/Cu的为137~150°。

本文采用共沉淀法合成了尺寸为20-200 nm的准球型Zn2SnO4粉体，随后，采用高能球磨混合Cu与Zn2SnO4粉体，最后采用常规粉末冶金制得不同第二相含量（1，2，4 wt%）的Zn2SnO4/Cu电接触材料。380V-20AAC的循环烧蚀实验结果表明，1万次烧蚀后，Zn2SnO4/Cu接触电阻低且稳定（200 mΩ，SnO2/Cu-1.4*109mΩ），质量损失大幅降低（6%，SnO2/Cu-20%）。

本文通过SEM观察烧蚀后Zn2SnO4/Cu电接触材料表面发现，经过万次循环，三元氧化物Zn2SnO4仍细小弥散分布在Cu的晶界处；证明了由于润湿性的提升，纳米级Zn2SnO4在烧蚀作用下未出现常规氧化物在表面富集的现象，一方面杜绝了因非导电氧化物富集带来的接触电阻失稳；另一方面，能在电弧致Cu熔池中起到稳定熔池，减缓Cu溶液的飞溅，从而获得优异的抗电弧烧蚀性能，延长电接触材料的使用寿命。

本文结合了第一性原理计算及实验结果揭示了金属与氧化物之间润湿性对电接触材料抗电弧烧蚀性能的影响机制，为开发长寿命铜基电接触材料提供了一种有效的成分设计方法，并将对陶瓷/金属基异质界面的重要应用具有指导意义。

审核编辑：彭静