觸頭材料

在開關電器中，電觸頭直接承擔分斷和接通電路並承載正常工作電流或在一定的時間內承載過載電流的功能，各類電器的關鍵功能，如配電電器的通斷能力，控制電器的電氣壽命，繼電器的可靠性，都取決於觸頭的工作性能和質量。同時觸頭也是開關電器中最薄弱的環節和容易出故障的部分：一旦觸頭系統不能正常工作，如電力系統發生短路寸，高壓斷路器觸頭拒絕斷開，將引起極為嚴重的後果。

對於可分離電接觸元件而言，在觸頭閉合狀態下承載電流時的工作狀況，類似於固定接觸的電接觸情況。在這種情況下，電觸頭的主要作用是承載電流、起電能傳遞和信號輸送的作用。這要求必須具有低而穩定的電阻。因為接觸電阻產生的焦耳熱效應嚴重時會導致觸頭導電斑點區域的材料發生熔化而引起電觸頭焊接在一起，引起所謂的“靜熔焊”現象，當熔焊力超過開關的機械分斷力時，就會發生觸頭拒絕斷開，引起分斷電路失敗，即使不出現這種不能斷開的現象，也會延緩開關電器的分斷動作。

開關電器中觸頭接觸電阻的增值機制與弱電領域電接觸材料接觸電阻的增值機制有所不同，除了各種環境應力，如氧化、硫化、吸附等作用外，主要還存在因分斷、接通電路過程中觸頭（電極）間產生的電弧放電作用。電弧放電造成的觸頭材料侵蝕、轉移、材料的相變和高温下發生的化學反應，都會使接觸電阻增加。同時會加劇某些環境應力的作用。當然在這一過程中，電弧的高温也會破壞觸頭表面的某些薄膜。

分斷電路是開關電器的另一主要功能，這也要電觸頭直接承擔、分斷電路時，由於觸頭之間會發生電弧放電，使問題變得更加棘手。電弧放電時觸頭不僅存在熱的作用，還存在力的效應，最終會在觸頭表面發生複雜的物理化學過程，諸如材料相變、材料侵蝕、材料轉移、熔融液池中的冶金學過程。這些過程既與由電氣條件決定的電弧特性密切相關，也與觸頭材料本身的組分和特性乃至製造上藝有相當的聯繫。

接通電路也是電觸頭直接執行的重要功能之一，除了觸頭閉合過程中因間隙氣體擊穿發生短時電弧放電外，主要問題是由於動靜觸頭機械衝擊或由於電觸頭機構機械衝擊引起的動觸頭彈跳，尤其是感性負載電路，在觸頭閉合時會產生較大的衝擊電流，會造成電弧放電在較短的時間內對電極的連續、多次作用，形成所謂的“動熔焊”，一般來説，熔融金屬的數量隨着熔點和熱導率的下降而增加。

因此，不僅不同電接觸形式對電接觸材料的要求不同，即使是同一種電接觸形式，比如可分離電接觸材料，在它執行不同功能時，也須具備不同的多方面的特性。在電接觸的任何運行過程中，各種現象往往是相互重疊發生，所以必須考慮所發生的各種現象的相互關係，這正是電接觸理論研究和開發新型電接觸材料的難點所在。 ^[1] 

概括而言，對電觸頭材料的基本特性的要求如下。

1.一般物理性質。觸頭材料應具有合適的硬度，較小的硬度在一定接觸壓力下可增大接觸面積，減小接觸電阻、降低靜態接觸時的觸頭髮熱和靜熔焊傾向，並且可降低閉合過程中的動觸頭彈跳。較高的硬度可降低熔焊面積和提高抗機械磨損能力。

觸頭材料應具有合適的彈性模數。較高的彈性模數則容易達到塑性變形的極限值，因此表面膜容易破壞，有利於降低表面膜電阻，較低的彈性變形則可增大彈性變形的接觸面積。

2.電性能。觸頭材料應具有較高的電導率以降低接觸電阻，低的二次發射和光發射以降低電弧電流和燃弧時間。

3.熱物理性質。高的熱傳導性，以便電弧或焦耳熱源產生的熱量儘快輸至觸頭底座。高的比熱容、高的熔化、氣化和分解潛熱。高的燃點和沸點以降低燃弧的趨勢。低的蒸氣壓以限制電弧中的金屬蒸氣密度。

觸頭應具備高的化學穩定性，即具有較高的抗腐蝕氣體對材料損耗的能力，即使產生表面薄膜，其揮發性應高。

觸頭電接觸性能實質是物理化學性能的綜合體現，並且各種特性相互交叉作用。概括地講，觸頭的電接觸性能主要包括：

1.表面狀況和接觸電阻 。接觸電阻受到表面狀況的顯著影響，而表面狀況又與觸頭的電弧侵蝕過程密切相關，因而要求觸頭的侵蝕基本均勻，以保證觸頭表面狀況平整，接觸電阻低而穩定。

2.耐電弧侵蝕和抗材料轉移能力。觸頭材料具有高的熔點、沸點、比熱容及熔化，汽化熱及高的熱傳導性，固然對提高觸頭的耐電弧侵蝕能力有利，但上述物理參數只能改善觸頭間的電弧的熄滅條件，或大量地消耗電弧輸入觸頭的熱流，然而一旦觸頭表面熔融液池形成，觸頭的抗侵蝕性能則只能靠高温狀態下觸頭材料所特有的冶金學特性來保證，這涉及到液態銀對觸頭表面的潤濕性。熔融液池的粘性及材料第2與第3組分的熱穩定性等。

觸頭材料轉移同樣與材料常規的熱物理參數密切相關。但這些參數僅能降低液態金屬橋折斷引起的材料轉移、由於電弧作用引起的材料轉移則與兩配對觸頭的各種物理參數的不對稱和電弧特性的不對稱相關，消除非對稱因素或合理利用非對稱因素均可降低觸頭材料轉移。

3.抗熔焊性。觸頭材料的抗熔焊性包括兩個方面，一是儘量降低熔焊傾向，從觸頭材料角度來看，主要是提高其熱物理性能。二是降低熔融金屬焊接在一起後的熔焊力，熔焊力主要取決於熔焊截面和觸頭材料的抗拉程度，顯然為了降低發生靜熔焊的傾向可增大接觸面積和導電面積，但一旦發生熔焊，反會使熔焊力增加。因此，為降低熔焊力，或為提高觸頭材料的抗熔焊性，常在觸頭材料中加入與銀親合力小的組分。

1.理想的觸頭材料，應具有良好的電弧運動特性以降低電弧對觸頭過於集中的熱流輸人。

2.還應具有較高的最小起弧電壓和最小起弧電流：最小起弧電壓很大程度取決於電觸頭材料的功函數以及其蒸氣的電離電壓。而最小起弧電流與電極材料在變成散射的原子從接觸面放出時所需要的結合能有關。

3.觸頭間電弧可具有金屬蒸氣態和氣體態兩種形式，不同形式的電弧對電極有不同的作用機制，觸頭材料應使觸頭間發生的電弧儘快地由金屬蒸氣態轉換到氣體態。

除上述要求外，觸頭材料應儘可能易於加工，而且具有較高的性能價格比。

由此看來，對電觸頭材料的要求面廣而苛刻，而且許多要求還存在着矛盾。電導率高的金屬，其硬度和熔點、沸點都較低。因此，要得到電導率和硬度均高的觸頭材料是不可能的，同樣，金屬結晶點陣內的原子聚合力決定了材料的硬度、彈性模數、熔點、沸點，這些性能的高低總是基本統一的。為提高熔焊性，要求熔點、沸點等熱物理參數高。但同時，為降低接觸電阻要求硬度較低，這也是不可兼顧的。所以滿足仟何需求的電觸頭材料是不存在的。觸頭材料的研製、生產和選用只能根據具體使用條件滿足那些最關鍵的要求。 ^[1] 

Cu是應用最廣的導電材料和觸頭材料。鋁雖然也是一種應用最廣的導電材料，但它的導電、導熱、熔點、沸點及硬度等都不如銅，銅的導電、導熱性僅次於銀（Ag），在複合材料未發展前，銅是主要的觸頭材料。銅作為觸頭材料的弱點是在空氣中易氧化，在200℃以下時，生成CuO表面膜，可達10～1000nm；200℃以上時又附加一層CuO表面膜，其電阻率可達10⁶Ω。當温度達120℃時，因表面氧化膜的影響可使接觸電阻增加3倍，在油中也會有前述的異常磨損現象，其耐溶性及耐弧性能也不如鎢（W）、鉬（Mo）等金屬。但從導電、耐弧、價格等綜合指標看，銅是應用最廣的觸頭材料，很多多元複合材料（合金或粉末冶金）也都是以銅為基。

銀的導電率和導熱率堪稱金屬之最，但產量有限且價格貴，因而使用量受到限制。銀的表面膜（氧化膜或硫化膜）因易壓碎或不耐磨而成為理想的固定接觸材料，常作為銅、鋁的鍍層。但由於其硬度小、熔點、沸點不高，只能做繼電器之類的小電流觸頭用，強電流觸頭多用銀的合金或複合材料製成。

鎢和鉬的最大特點是熔化、氣化温度高，質堅硬，因而耐磨、抗熔焊；但導電、導熱性差，開斷能力不強。空氣中的鎢可生成5nm厚的表面膜，在電弧作用下易生成鎢的粉末狀物，故常與高導電金屬一起製成複合觸頭材料用於大電流。

此類金屬不易氧化，但價格昂貴，多用於精密、靈敏度要求高的弱電觸頭或插接件鍍層。鈦（Ti）、鋯（Zr）、銦（In）等常作為滿足觸頭某些特殊要求的添加劑。

鉻是觸頭材料的後起之秀。鉻在元素週期表中與鋁、鎢處在同一縱列，在某些方面有相近的性質，都是各自週期中熔點、沸點最高的金屬。鉻的抗蝕性強，對氧的親和力大。在真空開關的開斷過程中，鉻的蒸發薄膜具有吸氣作用，這可以確保滅弧室有恆定的真空度而延長其工作壽命。銅與鉻的合金材料（CuCr）廣泛地用於真空開關中，CuCr材料也在SF₆斷路器中被採用。

多元材料分為合金與複合材料兩類。複合材料與黃銅（Cu-Zn等）、鉛錫（Pb-Sn）、不鏽鋼（Fe-Cr）等常規冶煉（熔鍊）的合金不同，它是一種機械混合物，將不互溶的高導電材料與高熔點材料製成粉末後經一定的工藝燒結而成，因其製造方法類似於陶瓷，故又稱為金屬陶瓷材料或粉末冶金材料。這種混合物各成分可按任意比例組合，這是熔鍊法冶金辦不到的。由於這種材料能保持原有不同材料的物理特性，故能相互取長補短，提高觸頭的綜合性能。有的複合材料按一定比例及工藝混合後又在真空中電弧重熔（如銅鉻（CuCr）材料），經電弧重熔後其金相結構大為改觀，材料性能更接近“合金”。我們在此混稱其為CuCr合金材料。實際大功率開關中的觸頭都離不開合金材料，由於高氣壓電弧與真空電弧在性質上有很大差異，真空開關觸頭的材料與空氣、油、SF₆中的觸頭材料在要求上是有差別的。因此，我們按這兩類不同使用環境的要求作簡要説明。

1.高氣壓電弧中的觸頭材料

銅-鎢（Cu-W）和銀-鎢（Ag-W）均具有很好的耐弧性，其鎢的含量常達50%~80%，適用於高、中壓開關。耐弧端頭由銅一鎢材料所制。在中壓磁吹空氣斷路器中，Ag-W或銀一鎢一石墨（Ag-W-C）用得較多，銀一鉬（Ag-Mo）在低壓自動開關與塑殼斷路器中比Ag-W和Ag-W-C更廣泛。

當觸頭開斷電路產生電弧時，熔化了的高導電（低熔點）材料借毛細管作用保持在高熔點金屬構成的骨架中，大大限制了熔化金屬的飛濺，而觸頭處於閉合狀態時，高導電材料發揮其電阻低的強通流特性。上述毛細管作用在真空電弧環境中更具抗磨損意義。

銀-石墨（Ag-C）和銅-石墨（Cu-C）的最大特點是高的抗熔焊性和良好的滑動性，因而也廣泛用於弧觸頭、噴嘴處或滑動接觸中。

銀-氧化鎘（Ag-CdO）、銀-鈀（Ag-Pd）、銀-鉑（Ag-Pt）、銀一鎘（Ag-Cd）、銀-鎳（Ag-Ni）等則是低壓開關電器中用得較多的觸頭材料。Cd在電弧高温下能生成CdO，而CdO能分解成Cd蒸氣和氧，有顯著的氣吹效應。由於Cd是一種有毒物質，故正在用銀一氧化鎳（Ag-NiO）及銀一二氧化錫一三氧化二銦（Ag-SnO₂-In₂O₃）等替代Ag-CdO。Ag與Ni的合金能增大硬度，改善熔焊和分斷過程中的液橋轉移現象（分斷過程中熔化的金屬在動、靜觸頭間拉成金屬絲，而斷裂常偏向一邊，故使觸頭材料一邊增多，一邊減少，這種現象稱之為橋轉移，多存在於弱電觸頭間）。

2.真空開關中的觸頭材料

真空開關為對接式，對觸頭材料的抗熔焊、含氣量、通流導熱、截流水平（“截流”即電弧電流不在過零點被強行開斷）等提出了更苛刻的要求。早年真空開關的觸頭材料全部都是採用W、Mo等難熔金屬，因為W、Mo可高温除氣，故解決了Cu在真空中易熔焊和開斷過程的放氣問題，但W、Mo等觸頭因熱發射而難於開斷大電流，故後來才發展了W-Cu-Ti-Bi、W-Cu-Ti-Sn、W-In-Cu、W-Cu-Zr、W-Cu-Bi和Cu-Bi等，它們都是以銅為基礎（其體積大於50%），Ti、Zr等用於吸氣，Bi、Sn等用於抗熔焊。硼（B）和碳（C）等的化合物也被作為難熔物質用於真空觸頭材料中。上述材料的開斷電流都不大，但它們磨損小、抗熔焊性強、截流水平較低。後來又研究出性能更好的CuCr、CuCrFe、CuCTa等合金。

AgWC、Sb-Mo有低的截流水平和足夠的開斷能力，因而在高壓真空接觸器中用得較多。

與上述材料相比，CuCr材料具有較好的綜合特性，如短路電流開斷能力強、介質強度高、耐燒蝕、截流低等。CuCr的吸氣效應大於放氣，這樣就比其他材料有更好的動態真空度。近年有報道説銅鉭（Cu-Ta）甚至有比CuCr更好的特性。

觸頭材料的性能與其製造工藝是有密切關係的，同樣的含量成分，製備工藝和方法不同，其性能也會有一定差異。

近年來CuCr觸頭材料在SF₆斷路器中也有越來越多的應用。使用自力型觸頭的SF₆斷路器，其主觸頭、中間觸頭由CuCr合金製成，弧觸頭由兩種材料製成，其頭部為銅鎢合金（CuW80或CuW70），其餘為銅鉻合金，兩材料通過熔焊或粉末冶金方法連接。 ^[2]