王金龙，付 翀，宁 静，李 旭，李清馨，路 杨

(西安工程大学 材料工程学院，西安 710048)

电接触材料作为电器开关、仪表仪器等负载电器的核心组件，担负接通、分断电路的任务，其性能优劣直接决定电器开关的开断能力、接触可靠性、稳定性、通断容量以及使用寿命等[1-2]。Ag-CdO 电接触材料因具有良好的热稳定性、导电性、导热性、抗熔焊性以及耐电弧侵蚀性，被称为“万能触头材料”[1,3]。然而从环保和安全角度考虑，Cd 元素具有一定毒性，在制备、使用和回收过程，都容易对环境和使用者造成一定危害。大量研究表明，Ag-SnO2是最有可能替代Ag-CdO 的一种环保型电接触材料，其不仅综合性能优良，同时能够满足环保要求，因而被认为是最有前景的电接触材料之一[4]。

虽然Ag-SnO2电接触材料具有良好的物理性能、抗熔焊性、耐电弧侵蚀性已经成为替代Ag-CdO 的最佳材料，但目前仍存在一些缺陷有待改进：1) Ag与SnO2浸润性差，在长期电弧侵蚀下，SnO2富集于材料表面，引起接触电阻增大，寿命缩短等问题；2) SnO2属硬脆相，Ag-SnO2电接触材料的制备及后续加工较困难；3) SnO2易团聚，难以均匀分散于Ag基体中，导致材料综合性能下降，服役寿命降低。上述问题极大限制了Ag-SnO2电接触材料的进一步开发与应用。因此，国内外研究人员针对上述问题，尝试从制备工艺、表面改性、增强相调控等方面对其优化改进，以期达到改善Ag-SnO2电接触材料综合性能和使用寿命的目的。

1 Ag-SnO2 电接触材料的制备技术

材料制备技术直接决定Ag-SnO2电接触材料的组织结构，从而影响其物理性能(导电率、硬度、抗熔焊性能、抗电弧侵蚀性能等)[5]。基于Ag-SnO2电接触材料SnO2分散困难，Ag 与SnO2浸润性差等问题，促使国内外研究人员对Ag-SnO2电接触材料制备技术进行了大量研究，从而提高Ag-SnO2电接触材料的综合性能和使用寿命。此外，一些新型Ag-SnO2电接触材料制备技术也不断被开发出来。

1.1 传统制备技术

Ag-SnO2电接触材料传统制造技术主要包含合金内氧化法(I/O)和粉末冶金法(P/M)两类[6-8]。I/O 工艺简单、成本低且制备的电接触材料性能优良，被广泛应用工业化生产中。印度Amitabh 等[9]基于传统I/O 和P/M 提出粉末内氧化(P/O)技术。通过细粉快速凝固使晶粒细化、结构均匀不偏析，制备的电接触材料第二相呈弥散分布且具备电导率高、抗熔焊、寿命长等优良特性[10]，但硬度、致密度达不到传统I/O 水平。P/M 易于调控组织结构且能避免出现“贫氧化物区”，但材料致密度低，SnO2团聚严重，限制了其使用范围。粉末冶金法通常包括制粉→压制→烧结→挤压，而根据粉末制备工艺不同，粉末冶金法又可细分机械合金化法、化学沉积法、反应合成法、反应雾化法等。目前Ag-SnO2电接触材料传统制备方法的研究结果如表1 所示。

表1 Ag-SnO2 电接触材料制备方法Tab.1 Preparation methods of Ag-SnO2 electric contact material

1.2 制备新技术

Ag-SnO2电接触材料的传统制备技术不断改进发展，制备技术日益完善优化，但材料仍存在使用性能不足的问题，促使研究人员不断开发出新型制备技术，以期通过改进制备技术实现Ag-SnO2电接触材料的性能优化。

1.2.1 模板法

模板法是以特定表面性质和形貌尺寸的材料为模板，利用模板空间限域作用实现对合成材料形貌、尺寸、结构等的控制，利用静电吸附、氢键、共价键等在模板表面复合聚合物层，再经过煅烧、溶解等工艺去除模板获得所需材料的方法[24]。因模板法具备分散良好、结构可控、成本低等特点，为制备高度弥散分布的Ag-SnO2电接触材料提供新思路[25]。

Vladan 等[26]利用模板法制备出第二相纳米SnO2颗粒高度弥散的Ag-SnO2电接触材料，有效提高电接触材料的抗熔焊性和使用寿命，材料密度高，孔隙率低，且显微硬度比传统混粉技术制得材料高20%。但模板法制备Ag-SnO2电接触材料在过程中易引入杂质，且产量少、制备效率低[27]。

1.2.2 等离子喷涂法

等离子喷涂是指喷涂粉末在等离子焰流中快速加热形成熔滴后被高速气流冲击到基体表面并不断叠加、重叠而形成层状结构[28]。付翀等[29]基于Ag-SnO2材料塑延性差，加工成型困难问题，在Cu 基材表面等离子喷涂Ag-SnO2涂层。涂层内部SnO2呈弥散分布，涂层与基材结合强度高，且具有优良综合性能和使用寿命。但该方法仅适用于简单洁净的基体表面，且涂层厚度难以控制。

1.2.3 冷喷涂法

冷喷涂技术是近些年迅猛发展的新型制备方法，通过将低温(≤600℃)、高速(300～1200 m/s)粒子撞击在基材表面制备涂层材料。利用冷喷涂技术制备Ag-SnO2涂层，由于过程中喷涂温度较低，相变驱动力较小，晶粒生长受限，可有效消除涂层不均匀结晶的情况[30]，改善材料的力学性能和耐电弧侵蚀性能，提高产品质量。Wang 等[31]在喷砂处理后Cu基材上喷涂获得Ag-SnO2涂层，经真空退火处理获得组织均匀，基材与涂层结合紧密，气孔率低，抗电弧侵蚀性能优良的Ag-SnO2涂层。但该方法制备的涂层致密度较低，且对基体表面要求较高。

1.2.4 磁控溅射法

磁控溅射技术成分均匀可控，是一种极有前途纳米Ag-SnO2复合涂层的制备方法。但由于Ag-SnO2电接触材料中SnO2含量较高，且磁控溅射制备复合涂层过程中存在膜内应力太大导致成膜困难且膜基结合差等问题极大限制了磁控溅射制备Ag-SnO2复合涂层的实现。

鉴于此，杜铁路[32]通过加温样品盘释放Ag 和SnO2溅射过程中热膨胀系数不同所造成的涂层内应力，促进沉积原子结晶，并在基底与涂层间引入铬镍过渡层分散界面应力，保证膜基结合力，获得尺寸均匀纳米级SnO2弥散分布且基底与涂层牢固结合的Ag-SnO2复合涂层。涂层表面粗糙度在50 nm 以下，与传统技术相比，材料接触电阻、导电率、耐电弧烧蚀性能和使用寿命均显著提高。此方法工序少、效率高、绿色环保，设备操作简单，具有良好的工业化应用前景。

表2 Ag-SnO2 电接触材料制备新技术Tab.2 New preparation methods of Ag-SnO2 electrical contact materials

2 增强相改性

增强相改性主要指通过向增强相中引入其他组元掺杂或采用表面镀层改性实现改善增强相表面结构与性能的目的。对于Ag-SnO2电接触材料，陶瓷增强相SnO2与基体Ag 相热物理性能相差较大且两者之间润湿性差无法实现良好结合，进而难以保证Ag-SnO2电接触材料的使用性能。因此，对Ag-SnO2电接触材料增强相进行改性成为广大研究人员的重点关注方向。

2.1 表面镀层改性

对SnO2表面包覆来改善SnO2表面特性，从而改善Ag 与SnO2间的结合状态。通过在刚硬增强相SnO2表面包覆合适柔性镀层，不仅不会减弱强化效果，而且可以增强材料本身韧性，表面镀层改性能很大程度上改善材料常见强韧化冲突矛盾的现状，为开发强韧化Ag-SnO2电接触材料奠定了基础。

2.1.1 化学镀改性

化学镀是将SnO2引入含有Ag+溶液中，经机械、感力或超声波等方法使其分散，随后引入还原剂，利用非均相形核原理使Ag+还原并沉积于SnO2表面合成Ag-SnO2复合粉体。化学镀能使Ag 与SnO2混合均匀，而且由于SnO2表面包覆纳米Ag，压制时是Ag-Ag 相互接触(Ag 塑性优良)，使粉末烧结变为Ag-Ag 单相烧结，改善烧结活性，提高致密度。同时反应迅速，效率高，SnO2粒度和还原剂种类用量自由。

凌国平等[33]和郑冀等[34]通过化学镀制备具有核/壳包覆结构的纳米Ag-SnO2复合粉末，改善了Ag 与SnO2界面润湿性，其烧结性能好，Ag 与SnO2界面结合强度高，材料抗拉强度、延伸率和导电率明显提升。乔秀清等[35-36]通过利用湿化学法实现SnO2微球包覆纳米Ag，获得表面载银Ag-SnO2复合微球，Ag与SnO2间强分子间作用力使Ag与SnO2润湿性提高，界面结合强度增强，从而提高材料的物理机械性能。

目前，此种改性方法研究较多，但SnO2在溶液中易团聚，尺寸均匀性差及粒子污染问题制约了此方法的发展。

2.1.2 电沉积改性

电沉积技术利用直流电作用在液相中实现传质沉积，沉积速率较其他沉积方法更快，工艺简单，是获得镀层的有效手段。电沉积技术通过SnO2表面沉积Ag 改变SnO2晶格结构或表面电子分布，从而改善界面结合特性，实现Ag 与SnO2紧密结合。

乔正阳等[37-38]针对SnO2在Ag 基体中分散不佳、SnO2与Ag 之间润湿性较差等问题，利用自主研发的可旋转电沉积设备，通过在SnO2表面电沉积Ag，获得微米SnO2表面载Ag 复合粉体，结合热挤压、旋锻与拉丝工艺获得Ag-SnO2电接触材料，与传统Ag-SnO2电接触材料相比，电沉积改性Ag-SnO2电接触材料导电率更高，塑性加工性优良，使用寿命更长。

2.2 掺杂改性

掺杂改性是将第三组元通过化学原位掺杂经扩散引入增强相晶格中，诱发晶格畸变或缺陷，从而改变增强相基本物理特性实现改性。

Ag-SnO2电接触材料在长期服役过程中Ag 容易熔化、气化，造成材料表面成分重新分布，形成富Ag 区和SnO2聚集区，导致这一情况的原因是Ag 与SnO2物理性质相差较大且两者润湿性差[39]。基于此，Bohm 等[40]首次引入添加剂改善液态Ag 与SnO2之间润湿性，降低接触电阻，使SnO2悬浮于Ag 熔池中，降低SnO2重新偏聚的可能，从而降低温升、提升抗电弧侵蚀性能和使用寿命。

添加剂选择主要基于以下原则，1) 改善润湿性；2) 良好热稳定性；3) 优良化学稳定性。不同添加剂在材料服役性能中扮演怎样的角色是研究的重点，利用试验及理论模拟得到的成果如表3 所示。

表3 常用添加剂对Ag-SnO2 作用[6]Tab.3 Summary of dopant-AgSnO2 interactions

3 增强相调控

Ag-SnO2作为金属基复合材料，第二相SnO2的形态、尺度以及在Ag 基体中的分布状态会直接影响材料的性能，因此控制增强相形貌及分布对于获得高性能电接触材料有重要理论意义和实用价值。

3.1 增强相纳米化

研究人员在CuW 触头研究中发现，在一定条件下将材料组分细化至纳米级可使电弧由收缩型转化为扩散型，改善材料电弧特性，降低电弧侵蚀率。与此同时，纳米技术的迅速崛起为Ag-SnO2电接触材料的研究提供新可能。

研究发现SnO2纳米化可有效改善材料的抗电弧侵蚀性能。纳米化SnO2比表面积较大，增大了与Ag 熔池接触面积A，粘附功W与接触面积A成正比，A增大，W会相应增大，如式(1)所示：

式(1)中，γAg为液体Ag 表面能，α为Ag 与SnO2润湿角。SnO2颗粒越小，接触面积越大，最终使熔融体系粘度增大。SnO2凝固后容易形成稳定网络结构，降低电弧侵蚀速率，提高使用寿命。同时，SnO2晶粒越小，电弧侵蚀下分解越快，SnO2以更大面积暴露在电弧下，使SnO2分解速率加快，在银熔池凝固过程生成SnO 与O2(如式(2)所示)，导致材料表面出现气孔及空洞等，有利于提高电接触材料的抗熔焊性能。

郑晓华等[41]以纳米SnO2(20～80 nm)为原料，结合高能球磨技术制备复合粉体并通过热挤压、轧制等工艺获得加工性能和抗电弧侵蚀性能优良的Ag-SnO2电接触材料；Wang 等[42]利用优化的化学共沉淀法制备出SnO2颗粒弥散分布的纳米Ag-SnO2(20 nm)复合粉末，获得的粉末具有良好加工性能且Ag与SnO2界面结合强度高。

3.2 增强相结构形貌调控

针对Ag-SnO2电接触材料在长期电弧侵蚀下，SnO2重新富集在材料表面，引起接触电阻增大、温升高这一问题，研究人员通过调控SnO2形貌结构，利用其特殊形貌结构限制SnO2在银熔池中上浮，降低熔池喷溅，长久保持材料优良特性，提高使用寿命。

乔秀清[36]采用湿化学方法制备出了不同形貌SnO2增强相(纳米颗粒、实心微球、空心微球、亚微米棒)的Ag-SnO2电接触材料，对比研究表明，增强相形貌直接影响电接触材料的性能，不同形貌增强相制备的材料综合性能依次排序为：亚微米棒＞纳米颗粒＞实心微球＞空心微球。亚微米棒制备的电接触材料接触电阻更稳定，熔焊力小，质损减少且抗电弧侵独性能好。

Jiang 等[43]以化学沉淀法成功制备的直径1～4 mm、长度5～50 mm 棒状SnO2为增强相制备出Ag-SnO2电接触材料。结果表明，与Ag-球状SnO2电接触材料相比，Ag-棒状SnO2电接触材料微观结构均匀且性能更优良，其具有高硬度(117.55)、低电阻率(2.227 µΩ·cm)、材料转移低和电寿命长等优点。

4 结语与展望

Ag-SnO2电接触材料作为最有可能替代Ag-CdO 的环保型电接触材料，受到国内外研究者的重点关注。但随着应用领域拓展及使用要求提高，对Ag-SnO2电接触材料的性能及寿命要求也越来越高，因此，进一步提高材料的综合性能和使用寿命势在必行。

1) 优化改进传统Ag-SnO2电接触材料制备技术，大力开发新型材料制备技术，同时不断简化制备技术，降低成本。

2) 通过物理化学方法实现增强相纳米化及增强相形貌结构调控，研发新型添加剂(如La2Sn2O7、Bi2Sn2O7、AgSbO3等反应生成物添加剂)及表面改性技术改善Ag 和SnO2之间的润湿性及结合强度问题，进一步提升Ag-SnO2电接触材料的性能，改善材料加工困难和使用寿命短的问题。

3) Ag-SnO2电接触材料空间三维结构设计有望成为Ag-SnO2电接触材料的重要发展方向。在Ag-SnO2复合体系基础上，调控SnO2形貌结构并设计搭建空间骨架模型，解决SnO2在Ag 基体中的分散问题，并结合增强相表面改性，实现Ag 和SnO2的紧密结合，利用空间骨架束缚作用限制长期电弧侵蚀下SnO2上浮，避免SnO2富集材料表面造成使用性能下降的问题。

4) 目前探究Ag-SnO2电接触材料组织及电性能多通过实验手段进行，无法对材料服役过程进行动态监控，因此完善相关理论模型并结合逐步成熟的有限元模拟技术构建Ag-SnO2电接触服役过程的可视化模型，是进一步改良Ag-SnO2电接触材料组织性能的关键。