刘增乾、张哲峰发明一种高弹性银基电接触材料

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电接触材料是承担电路通断控制、导电以及承载作用的关键结构-功能一体化材料，其性能直接关系到电力系统与电器设备的安全稳定。常用电接触材料主要是以铜或银为基体的复合材料，基体负责导电和导热，而第二相则起到强硬化作用，提高材料的抗电弧侵蚀能力。相比于铜基体系，银基电接触材料具有电导率和热导率高、接触电阻小而稳定等优点，广泛应用于不同电力负荷范围的电路与电器中。除导电和抗电弧侵蚀外，电接触材料还需具备优异的力学性能以满足承载及长期服役需求，其中弹性变形能力尤为重要。一方面，电接触材料能够通过大弹性变形保持紧密接触，减小接触电阻，避免松弛导致的接触不良造成起弧放电等；另一方面，大弹性变形能力有助于减轻塑性变形引起的损伤累积，延缓疲劳失效，延长电接触材料及构件的服役寿命；特别是对于导电弹簧等电子器件，电导率和弹性变形能力是最重要的材料性能。然而，在同一材料中高弹性和高电导率往往难以兼得，具有良好导电性的铜基和银基块体金属材料的弹性应变极限大都不超过0.5%，而树脂基导电材料尽管具有大弹性变形能力，但电导率普遍较低（通常低于1kS·m-1）。因此，如何在保证高电导率的前提下提高弹性变形极限是制约高弹性电接触材料发展的关键难题。
　　贝壳、骨骼等天然生物材料具有微观三维互穿结构，即各组成相保持连续并且相互贯穿，以此实现不同性能优势互补，这种巧妙的结构可为研制新型高性能电接触材料提供重要启示。近日，中国科学院金属研究所仿生材料设计制备团队与国内外科研人员合作，利用银的强度与镍钛合金应力诱导马氏体相变效应之间的耦合作用，将镍钛合金的高弹性与银的高电导率相结合，通过设计并构筑类似典型生物材料的微观三维互穿结构，发明了一种兼具高弹性、高电导率和高强度的新型银-镍钛块体电接触材料。相关研究成果近期发表在Applied Materials Today 29 (2022) 101639，文章第一作者为博士研究生张明阳，通讯作者为刘增乾研究员和张哲峰研究员，并且申请了两项发明专利（专利号：ZL202110178989.5、ZL202011297088.X）。

　　图1 高弹性银-镍钛电接触材料的微观三维互穿结构及其性能与现有材料的比较

　　研究人员利用银和镍钛之间超过300℃的熔点差异，采用工业生产电接触材料中常用的无压熔渗工艺，将银熔体浸渗到热压烧结的多孔镍钛骨架中，并通过综合调控骨架烧结温度和熔渗温度，在避免发生界面反应的前提下，实现了银熔体完全填充骨架，获得了不含杂质相的致密银-镍钛块体复合材料。材料中银和镍钛两相各自保持连续，并且在三维空间相互贯穿，两相界面表现为冶金结合，如图1a所示。银基体良好的空间连通性能够提供连续的电子传输通道，赋予材料超过10MS·m-1的高电导率，而连续的镍钛增强相能够起到高效的强化作用。在变形过程中，镍钛相发生应力诱导马氏体相变，在消耗外加机械能的同时减轻应力集中，而卸载后镍钛相能够自发逆相变，引起材料整体产生弹性回复，从而赋予该电接触材料超过1.7%的大弹性变形能力，是常用块体导电金属材料的3倍以上，如图1b所示。此外，两相微观三维互穿与机械互锁有利于促进二者之间的应力传递，避免局部应力集中导致过早损伤，并且能够将微观塑性变形与开裂约束在各自相内部，阻碍损伤演化并贯穿材料引起整体失效，因而进一步提高了电接触材料的强度和损伤容限，使其表现出约1500MPa和560MPa的抗压和抗拉强度，与现有银基电接触材料相比，在同等电导率前提下，强度约提高一倍，如图1c所示。弹性、强度与电导率的优异结合使得新型银-镍钛电接触材料有望在电路与电器等领域获得广泛应用。
           文章来源：金属所
        张哲峰，男，1970年4月生，中国科学院金属研究所研究员、材料疲劳与断裂实验室主任、失效分析中心主任。1988-1995年在西安交通大学材料科学与工程系学习，1998年于中国科学院金属研究所获工学博士学位。2000年获全国百篇优秀博士学位论文奖，2000-2001年获日本学术振兴会（JSPS）资助，2001-2002年获德国洪堡（AvH）基金会资助，2003年获德国斯图加特马普金属所资助，2004年入选中国科学院“百人计划”，2006年获国家杰出青年科学基金资助，2008年承担国家自然科学基金重大项目，2014年入选科技部“中青年科技创新领军人才计划”，2015年入选中组部“万人计划”，2018年带领的材料疲劳断裂与构件失效分析团队入选辽宁省“兴辽计划”创新团队。主要从事金属材料力学行为与强韧化机制、疲劳损伤与寿命预测、断裂与强度理论及工程构件失效分析等方面工作，在Nature Mater.、Prog. Mater. Sci.、Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater.、Acta Mater., Biomaterials、Acta Biomater.等SCI刊物上发表论文400余篇，被SCI刊物论文引用10000余次，2015-2018年连续入选Elsevier中国高被引学者。
          刘增乾，男，1987年9月生，中国科学院金属研究所“引进优秀学者”、研究员，中国科学院青年创新促进会会员。本科到博士阶段学习在北京航空航天大学材料科学与工程学院完成，2009年获工学学士学位，2013年获工学博士学位。2013年获金属所“葛庭燧奖研金”资助加入材料疲劳与断裂实验室从事博士后研究，合作导师为张哲峰研究员，2015年获金属所“引进优秀学者”项目资助留所工作，2015-2017年应材料力学领域国际知名学者Robert O. Ritchie教授邀请赴加州大学伯克利分校、劳伦斯-伯克利国家实验室从事博士后研究。主要从事生物力学与仿生材料研究，旨在利用生物力学原理从仿生角度提高人造材料抵抗疲劳与断裂的能力，在Prog. Mater. Sci.、Adv. Mater.、Biomaterials、Acta Biomater.、Acta Mater.等SCI刊物上发表论文56篇，被引用1000余次，并受邀担任Acta Biomater.等期刊审稿人，申请仿生材料发明专利10余项，部分研究成果受到Materials Today、Advances in Engineering、科技日报、光明网等报道，培养的研究生获得辽宁省优秀毕业生和师昌绪奖学金等荣誉。