Neben Einschlüssen und großen Aggregationen von Ag (oder WC) ist der Hauptfehler im AgWC-Material die lockere Struktur (siehe Abb. 1), die leicht durch einen Lichtbogen zerstört werden kann und daher den Kontaktverbrauch erhöht.
Abbildung 1: Bruchbild von AgWC-Material mit Defekten.
Abbildung 2: Bild der losen Struktur im AgWC-Material.
Abbildung 2 ist eine vergrößerte Aufnahme der losen Struktur, bei der freiliegende WC-Partikel von einem unterbrochenen Ag-Netzwerk umgeben sind. Dies weist darauf hin, dass Ag diesen Bereich im Prozess nicht infiltrieren konnte. Tatsächlich ist die Natur der Infiltration der Transport von flüssigem Ag im Produktskelett. Daher haben wir diesen Transportprozess mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) analysiert und darauf basierend bestimmte Methoden zur Verbesserung der Infiltration bereitgestellt.
Ⅱ. Experiment
Der grundlegende Prozess der Herstellung von AgWC-Materialien umfasst: Pulvermischen, Granulieren, Verdichten, Sintern, Infiltrieren und Nachbehandeln. Zur Überprüfung der Bruchmorphologie wurde ein Rasterelektronenmikroskop JEOL JSM-6390A verwendet, zur Messung der Bruchfestigkeit eine Universalprüfmaschine SANS-CMT. Bemerkenswert ist auch, dass Kontaktmaterialien am ehesten dort brechen, wo sich lose Strukturen unter äußerer Krafteinwirkung befinden. Aus diesem Grund haben wir in dieser Arbeit die Bruchfestigkeit erfasst, um die Bindungsstärke des Kontaktmaterials darzustellen.
Ⅲ. Ergebnisse und Diskussion
1. Transport von flüssigem Silber im Produktgerüst:
Während der Infiltration dringt geschmolzenes Silber, angetrieben durch Kapillarkraft, in das Produktgerüst ein und füllt das Porennetzwerk. Obwohl der Transport von flüssigem Silber mit dem Schmelzen beginnt und mit der Erstarrung endet, zeigen Experimente, dass jeder Prozessschritt vor der Infiltration einen signifikanten Einfluss auf den Silbertransport hat. Daher beobachteten wir die Bruchmorphologie des Produkts nach jedem Prozessschritt, um den gesamten Prozess zu beschreiben.
Gemischtes AgWC-Pulver wird während der Verdichtung zu einem Gerüst mit einer gewissen Porosität verdichtet. Abb. 3(a) zeigt den Bruch des Gerüsts nach der Matrizenverdichtung. Dabei verteilen sich Ag- und WC-Partikel abwechselnd in engen Poren, die ein inneres Netzwerk im Gerüst bilden.
Das Gerüst wird nach der Verdichtung nicht direkt zur Infiltration verwendet, sondern muss immer unter dem Schutz einer reduzierenden Atmosphäre gesintert werden (Vorsintern). Wie in Abb. 3(b) dargestellt, veränderte sich die innere Struktur des Gerüsts während des Vorsinterns deutlich: Die Ag-Partikel sinterten stark und umhüllten die umgebenden WC-Partikel. Die beim Sintern entstandenen winzigen Poren aggregierten gleichzeitig zu großen Poren. Deshalb ist der Vorsinterprozess einer primären Infiltration sehr ähnlich, bei der Ag-Partikel in die umgebenden Strukturen eindringen und so das Porennetzwerk im Skelett neu verteilen.
Abbildung 3: Bruchbilder von (a) AgWC-Skelett nach der Verdichtung, (b) AgWC-Skelett nach dem Vorsintern und (c) AgWC-Produkt nach der Infiltration.
Während der Infiltration schmolzen die Ag-Platten unter dem Skelett und infiltrierten durch das beim Vorsintern entstandene Porennetzwerk nach innen. Wie in Abbildung 3 (c) gezeigt, ist die hervorgehobene Ader reißendes Ag, das die WC-Partikel vollständig umhüllt und die Poren im Skelett füllt.
2. Methoden zur Verbesserung der AgWC-Infiltration
Basierend auf der obigen Analyse werden hier zwei Methoden für eine bessere Infiltration von AgWC-Material vorgeschlagen:
a) Verbesserung der Transportdynamik von flüssigem Ag
Die Hauptantriebskraft der Infiltration ist die Kapillarkraft, die in Bezug auf die Grenzflächenenergie analysiert werden kann. Nehmen wir zum Beispiel flüssige Ag- und WC-Partikel: Eine geringere Grenzflächenenergie führt zu einer besseren Benetzbarkeit und somit zu einer höheren Kapillarkraft. Obwohl die Grenzflächenenergie hauptsächlich durch die instinktiven Eigenschaften der Ag- und WC-Moleküle bestimmt wird, gibt es mindestens zwei Möglichkeiten, die Grenzflächenenergie zwischen flüssigem Ag und WC zu reduzieren.
b) Durch die Verwendung geeigneter Additive, zum Beispiel Cu und Ni.
Zum einen lösen sich diese Additive bis zu einem gewissen Grad in Ag auf, zum anderen ist die Grenzflächenenergie zwischen WC und Additiven viel niedriger als die von Ag. Daher übernehmen Additive die Rolle von Tensiden und verringern die gesamte Grenzflächenenergie. Abb. 4(a) und Abb. 4(b) zeigen den Bruch von AgWC-Materialien mit und ohne Additive. Man kann den Schluss ziehen, dass Additive die Infiltration deutlich verbessern und somit Defekte im Material reduzieren können.
Abbildung 4: Bruchbilder von AgWC-Materialien (a) mit Additiven und (b) ohne Additive
So erhöhen Sie die Infiltrationstemperatur: Unter konstantem Druck führt eine höhere Temperatur zu einer höheren durchschnittlichen kinetischen Energie der Moleküle, was zu einem größeren Molekülabstand, also einer geringeren Molekülanziehung und schließlich einer niedrigeren Grenzflächenenergie führt. Deshalb ist eine Temperaturerhöhung die wirksamste Methode zur Verbesserung der Infiltration. Abb. 5 zeigt die Daten zur Bruchfestigkeit von Produkten, die bei unterschiedlichen Temperaturen infiltriert wurden. Man erkennt, dass die Bruchfestigkeit mit zunehmender Infiltrationstemperatur zunimmt, was zeigt, dass eine Temperaturerhöhung den Infiltrationsprozess verbessert.
Abbildung 5: Bruchfestigkeitsdaten von AgWC-Materialien, die bei 1100 °C (schwarze Kurve), 1200 °C (rote Kurve) und 1300 °C (grüne Kurve) infiltriert wurden.
a) Erweiterung des „Transportkorridors" für flüssiges Ag.
Für einen ausgezeichneten Infiltrationsprozess muss Ag das gesamte Skelett vollständig durchdringen. Jeder schlecht infiltrierte Bereich wird zu einem Defekt und verringert die Erosionsbeständigkeit des Produkts. Wie oben diskutiert, dringt Ag durch das Porennetzwerk in das Skelett ein, das während des Verdichtungsprozesses entsteht. Zum einen sind diese Poren jedoch zu eng, als dass flüssiges Ag fließen könnte, was die Infiltrationszeit definitiv verlängern würde, und zum anderen bleiben bestimmte kleine Poren darin stecken und werden schließlich zu Defekten. Daher muss das Porennetzwerk für einen besseren Transport von flüssigem Ag erweitert werden.
b) Erhöhung der Vorsintertemperatur.
Wie oben diskutiert, verteilt sich das Porennetzwerk innerhalb des Skeletts neu und die Porengröße vergrößert sich aufgrund der primären Infiltration im Vorsinterprozess. Daraus lässt sich schließen, dass das Vorsintern eine effektive Möglichkeit ist, die Porenkanäle zu erweitern. Da das Vorsintern der Infiltration ähnlich ist, wird eine entsprechende Temperaturerhöhung wahrscheinlich den Sintergrad des Skeletts verbessern und somit ein breiteres Porennetzwerk bewirken. In Abb. 6 ist zu sehen, dass die Porengröße im Skelett mit steigender Sintertemperatur zunimmt. Die Bruchfestigkeit des Produkts nimmt ebenfalls mit der Vorsintertemperatur zu (siehe Abb. 7), was auf eine Verbesserung des Infiltrationsprozesses hindeutet.
Abbildung 6: Bruchbilder eines AgWC-Skeletts, das bei (a) 1000 °C, (b) 1100 °C und (c) 1200 °C gesintert wurde.
c) Zugabe eines Porenbildners.
Im Allgemeinen wird der Porenbildner beim Pulvermischen hinzugefügt und nach der Matrizenverdichtung entfernt. Je größer die Partikelgröße des Mittels, desto besser das Ergebnis. Der Porenbildner nimmt während der Verdichtung den Raum der ursprünglichen Poren im Skelett ein und gibt beim Entfernen viel größere Poren frei. Diese großen Poren werden nach der Infiltration mit Ag gefüllt, wie in Abb. 8 gezeigt (die glatten Inseln in der Struktur). Außerdem werden die von Ag-Partikeln im Skelett eingenommenen Räume während der Infiltration durch das Schmelzen von Ag zu Porenkanälen, die tatsächlich einen externen Transportkorridor für flüssiges Ag bieten. Aus diesem Grund ist eine Vergrößerung der Ag-Partikel bis zu einem gewissen Grad gleichbedeutend mit der Zugabe eines Porenbildners.
Abbildung 7: Bruchfestigkeitsdaten von AgWC-Material, das bei Vorsintertemperaturen von 1000 °C (schwarze Kurve), 1100 °C (rote Kurve) und 1200 °C (grüne Kurve) hergestellt wurde.
Abbildung 8: Bruchbild von AgWC-Material, das mithilfe eines Porenbildners hergestellt wurde
Fazit
In dieser Arbeit wurde die Strukturmorphologie von AgWC-Material nach jedem Prozessschritt mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM) untersucht und der Mechanismus des flüssigen Ag-Transports während der Infiltration analysiert. Basierend auf der Diskussion schlugen wir zwei Methoden zur Verbesserung der Infiltration von AgWC-Material vor: Erstens die Reduzierung der Grenzflächenenergie zwischen Ag und WC, was durch die Zugabe geeigneter Additive wie Cu und Ni sowie eine Erhöhung der Infiltrationstemperatur erreicht werden kann; zweitens die Erweiterung des Infiltrationskorridors für flüssiges Ag, was durch eine Erhöhung der Vorsintertemperatur und die Zugabe eines Porenbildners erreicht werden kann. Die Ergebnisse sind auch auf andere durch Infiltration hergestellte Materialien übertragbar.
