Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка метода получения нанокомпозитных псевдосплавов на основе меди для электрических контактов мощных электрических сетей

ФИО: Кусков К.В.

Направление: Современные материалы и технологии их создания (У.М.Н.И.К.)

Научный руководитель: д.ф.-м.н., проф. Мукасьян А.С.

Институт: Институт новых материалов и нанотехнологий

Кафедра: Кафедра Функциональных наносистем и высокотемпературных материалов

Академическая группа: аспирант

Разработка эффективных и надежных переключателей для коммутации мощных электрических сетей в энергетике, на транспорте, на промышленных предприятиях и во многих других областях экономики является актуальной задачей современности. При размыкании электрических сетей между контактными электродами возникает электрическая дуга, которая повреждает поверхность контакта. В результате, при повторном замыкании контактное сопротивление переключателя резко повышается, что приводит к энергопотерям, а в некоторых случаях к выходу переключателя из строя и к авариям. Проблемой является также явление сваривания контактов между собой, которое также может проявляться при прохождении больших токов через переключатель с поврежденной поверхностью. Для того чтобы избежать указанных явлений, поверхность электрического контакта должна обладать большой твердостью, окалиностойкостью, высокой температурой плавления и малым парциальным давлением паров в вакууме. Для решения проблемы необходимо объединить в одном материале достоинства тугоплавких и высоко-электропроводных металлов. Решение затруднено тем, что указанные тугоплавкие и электропроводные металлы не смешиваются и не взаимодействуют между собой, поэтому получить их сплав традиционными методами невозможно.

Основные промышленные технологии получения композиционных материалов из несмешивающихся металлов на сегодняшний день основываются на пропитке расплавом пористых каркасов или спекании в присутствии жидкой фазы. Материалы, полученные этими методами, зачастую имеют неоднородную структуру, большой размер зерна и, как следствие, невысокий уровень механических и эксплуатационных свойств.

В данном проекте решается задача по созданию нового типа композиционных наноматериалов из несмешивающихся металлов Cr-Cu с повышенными эксплуатационными свойствами, долговечностью и надежностью, которые могут быть использованы для изготовления электрических контактов, работающих в условиях больших токов и высоких напряжений.

Для достижения этой цели применяется комбинация высокоэнергетической механообработки (ВЭМО) в планетарной шаровой мельнице с методом искрового плазменного спекания (ИПС). Метод ИПС заключается в нагреве путем пропускания через образец импульсного тока с высоким значением силы тока при одновременном одноосном сжатии. Особенностью образцов, полученных в результате предварительной ВЭМО в течение 60 мин и затем консолидированых методом ИПС является микроструктура. После обработки в шаровой планетарной мельнице фазовые структурные составляющие исходных порошков перестают быть различимыми. Образец в сканирующем электронном микроскопе при 200 000 кратном увеличении является однородным. Однако исследования на просвечивающем электронном микроскопе со сверхвысоким разрешением (увеличение до 2 000 000 раз) показали, что материал представляет собой нанокомпозит, состоящий из кластеров на основе хрома размером 4–5 нм, распределенных в частично разупорядоченной матрице на основе меди. После искрового плазменного спекания материал состоит из кластеров с размерами от нескольких микрон до нескольких десятков микрон, разделенных между собой каркасом медной фазы. В свою очередь, кластеры состоят из округлых нанометровых зерен Cr (меньше 100 нм), окруженных матрицей меди. Пористость спеченных образцов составляет не более 5 %.

Благодаря получаемой микроструктуре образцы имеют значения твердости 3–4 ГПа по Виккерсу, что в 3–4 раза превышает значения твердости промышленных образцов, а значения их удельного электросопротивления сопоставимы: 5,3 мкОм·см и 5,5–6 мкОм·см для полученных методом комбинации ВЭМО и ИПС и промышленных образцов соответственно. Таким образом, можно сказать, что данный метод получения нанокомпозиционного псевдосплава имеет ряд серьезных преимуществ по сравнению с существующими.