丁健翔1,2, 田無邊2, 汪丹丹2, 張培根2, 陳堅2, 孫正明,2

電觸頭是開關裝置的關鍵部件。在電路開斷過程中，電弧作用在觸頭表面，產生一系列物理和化學作用，即電弧侵蝕。隨著放電次數的增加，電弧侵蝕導致觸頭表面結構和功能產生連續性的變化。這種累積性破壞惡化了觸頭的電接觸性能，進而導致材料退化。因此，深入研究電弧侵蝕機理對觸頭材料的組分設計、結構優化、性能提升和失效分析意義重大。通常采用動態電弧放電方法來研究觸頭表面微結構的變化，進而分析電弧放電次數不斷增加條件下觸頭表面的侵蝕行為。

20世紀初，銀基電觸頭材料被廣泛應用在低壓開關裝置中[1,2]。Ag/CdO材料擁有近乎完美的電接觸性能，因此在銀基電觸頭領域占主導地位[3]。電弧高溫下，CdO分解吸收了電弧能量，揮發的Cd蒸氣亦起到吹弧滅弧作用。但CdO過快損失惡化了Ag/CdO觸頭材料工作后期的抗電弧侵蝕性能[4]。更嚴重的是，有毒的Cd蒸氣對人體和環境有害，這與目前環保材料的發展趨勢相違背，因而Ag/CdO 材料的發展受到了限制[5]。近幾十年來，一些“無Cd”觸頭材料被開發用于替代Ag/CdO，例如Ag/SnO2、Ag/ZnO、Ag/C、Ag/Ni、Ag/W[6,7,8]。但是，這些材料還存在許多問題，例如接觸電阻大、溫升明顯、材料損失嚴重、加工性和抗熔焊性差。以上缺陷均與這些觸頭增強相的特性有關。因此，開發新型銀基觸頭增強相材料迫在眉睫。

過去幾十年里，一種層狀材料，MAX相(MAX相化學式為Mn+1AXn，其中，M為前過渡金屬，A為IIIA、IVA族元素，X為C或N，n=1，2，3，…，典型代表有Ti3AlC2、Ti3SiC2、Ti2AlC、Ti2SnC)，兼具金屬和陶瓷的優良性能，吸引了研究人員的廣泛關注[9,10,11]。這種優良的綜合性能使得MAX成為金屬(Cu、Ag等)增強相的候選材料。Huang等[12,13,14]報道了Ti3AlC2作為陰極觸頭材料在7 kV直流電壓環境下的電弧腐蝕行為，然后研究了Cu-20%Ti3AlC2 (體積分數)陰極觸頭材料在3~10 kV直流電壓下的電弧腐蝕規律，顯示出很大的應用潛力。文獻[15,16,17,18]報道了直流真空開關中Ti3SiC2和Cu-Ti3SiC2材料的電弧腐蝕行為和微結構特征。最近，本課題組采用粉末冶金工藝成功制備出組織均勻、性能優良的Ag/10MAX (Ti2SnC、Ti3AlC2，質量分數，%)復合觸頭材料，其抗電弧侵蝕性能可與商業Ag/CdO觸頭相媲美[19,20,21]。Ag/10MAX優良的性能初步歸因于以下3點：Ag和MAX之間優良的潤濕性、MAX高的熱穩定性以及Ag/MAX復合材料良好的導熱性能。因此，MAX相非常有希望替代CdO，Ag/MAX復合觸頭材料應用前景廣闊。

但是，到目前為止Ag/MAX復合材料的電弧侵蝕機理還未見報道，且在電弧侵蝕作用下MAX相和銀基結構與物相變化還不清楚。本工作采用動態電弧放電作用在Ag/10%Ti2AlC (Ag/10TAC，質量分數)觸頭表面，觀察并分析Ti2AlC相和銀基的微結構演變和氧化行為，最終提出Ag/10TAC復合材料的侵蝕和退化機理。

1 實驗方法

制備Ag/10TAC復合材料的原料為Ti2AlC (純度99%、粒徑10 μm)和Ag (純度99.9%、粒徑10 μm)。將混合均勻的Ag/10TAC粉在800 MPa下冷壓成型(直徑16 mm、厚度2 mm)，坯體在Ar氣(99.999%)保護下加熱到800 ℃并保溫2 h。制備的Ag/10TAC塊體密度為8.692 g/cm3 (相對密度95.7%)，Vickers硬度為88 HV。塊體被切割成小圓片(直徑7 mm、厚度1.4 mm)。使用DIH-40焊接機將表面拋光的圓片焊接在Cu底座上，得到Ag/10TAC觸頭備用。

將Ag/10TAC觸頭安裝在5個接觸器中，按照GB14048.4-2010設定電弧侵蝕實驗參數：感性負載(AC-3)，電流100 A，電壓400 V，線圈頻率50 Hz，放電頻率0.17 Hz，空氣，室溫。然后對Ag/10TAC觸頭表面進行不同次數(1、10、100、1000、5610)放電實驗。實驗在上海電器研究所(SEARI)低壓電器測試中心進行。

放電實驗前，使用D8-Discover X射線衍射儀(XRD)檢測Ag/10TAC塊體樣品物相，掃描速率為10°/min。通過Sirion 200掃描電子顯微鏡(SEM)觀察塊體樣品的微觀組織。放電實驗后，使用EOS 6D數碼相機記錄被侵蝕Ag/10TAC觸頭的宏觀照片。觸頭的侵蝕面積通過DMi 8C金相顯微鏡自帶軟件LAS V4.8進行計算。侵蝕前后觸頭質量損失通過BT25S電子天平進行測量(精度0.01 mg)。使用XRD檢測侵蝕后觸頭表面物相組成，掃描速率為0.5°/min。使用SEM觀察侵蝕觸頭表面微結構，結合Pegasus 2040能量色散譜儀(EDS)分析化學組成和元素分布。分析觸頭表面化學組成時，在分析區域選10個點進行EDS分析，最終結果以其平均值表示。

2 實驗結果和討論

2.1 Ag/10TAC復合材料相組成和微結構

圖1a為放電實驗前Ag/10TAC復合材料的SEM像。結合EDS分析可知，Ti2AlC相(深灰色)均勻分布在Ag基體中(淺灰色相)，二者結合良好。圖1b為放電實驗前Ag/10TAC復合材料的XRD譜。結果顯示，除了Ag和Ti2AlC的衍射峰，未檢測到其它相的衍射峰。

圖1

圖1   電弧放電前Ag/10%Ti2AlC (Ag/10TAC)復合材料的SEM像和XRD譜

Fig.1   SEM image (a) and XRD spectrum (b) of the Ag/10%Ti2AlC (Ag/10TAC) composite before electric arc discharging test (Inset shows the high magnified SEM image)

2.2 Ag/10TAC觸頭OM像

不同放電次數下電弧對Ag/10TAC觸頭的破壞程度如圖2所示。1次放電后觸頭表面僅有很小區域被電弧侵蝕(圖2a)。隨著放電次數增加(10~1000次)，侵蝕區域不斷擴大(圖2b~d)。5610次放電后, 觸頭表面全部被侵蝕(圖2e)。根據侵蝕面積變化情況，電弧侵蝕被分為3個時期：早期(1次、10次)、中期(100次、1000次)和后期(5610次)。

圖2

圖2   不同放電次數下Ag/10TAC觸頭的OM像

Fig.2   OM images of the Ag/10TAC contacts under electric arc discharging of 1 (a), 10 (b), 100 (c), 1000 (d) and 5610 (e) times in sequence

2.3 Ag/10TAC觸頭質量損失和面積損失

如圖3所示，在放電次數增加過程中，Ag/10TAC觸頭的面積損失和質量損失隨之升高。電弧侵蝕早期(10次)，面積損失和質量損失低至7.58%和0.01%。電弧侵蝕中期(1000次)，雖然面積損失增大到60.60%，但質量損失僅輕微增加至0.78%。電弧侵蝕進入后期(5610次)，面積損失增大到88.62%，質量損失增加到4.40%。以上結果表明，Ag/10TAC觸頭抗材料轉移性能優良。

圖3

圖3   放電次數增加過程中Ag/10TAC觸頭的質量和面積損失

Fig.3   Mass loss and area loss of the Ag/10TAC contacts with increasing discharging times

2.4 Ag/10TAC觸頭微結構演變和氧化行為

2.4.1 Ag/10TAC觸頭整體形貌

圖4a~e為不同放電次數下Ag/10TAC觸頭表面的宏觀形貌。1次放電后，觸頭表面產生3個特征區域：未受侵蝕區域、過渡區域和受侵蝕區域(圖4a)。過渡區域中還包括2個不同的小區域：靠近未受侵蝕區域的過渡區域A和靠近受侵蝕區域的過渡區域B。放電次數增加到100次過程中，過渡區域和受侵蝕區域面積逐漸擴大，未受侵蝕區域面積隨之減小(圖4b和c)。1000次放電后，未受侵蝕區域完全消失(圖4d)。5610次放電后，過渡區域也消失(圖4e)。觸頭表面不均勻侵蝕形貌與電弧特殊的結構有關。電弧為典型柱狀結構，根據受侵蝕區域尺寸估計其直徑約為800 μm (圖4f)。電弧能量沿著直徑方向成梯度分布，電弧柱核心區域能量最高，產生溫度最高(>5000 K)[22]。因此，處于核心區域的觸頭表面受到電弧破壞最為嚴重，最終形成受侵蝕區域。處于電弧柱外圍區域的觸頭表面受到電弧破壞較輕，最終形成過渡區域。100次和1000次樣品受侵蝕區域表面生成許多深色塊體(圖4c和d)。5610次放電后，深色塊體數量降低(圖4e)。此外，隨著放電次數增加，受侵蝕區域表面孔洞和裂紋數量逐漸增多(圖4c~e)。

圖4

圖4   不同放電次數下Ag/10TAC觸頭表面整體形貌演變及電弧作用在Ag/10TAC觸頭表面的示意圖

Fig.4   Overall morphology evolutions of Ag/10TAC contacts with the increasing discharging of 1 (a), 10 (b), 100 (c), 1000 (d) and 5610 (e) times in sequence, and schematic of the electric arc action on the surface of Ag/10TAC contact (f)

2.4.2 Ag和Ti2AlC微結構和氧化

Ag和Ti2AlC微結構演變和氧化行為按照區域和放電次數的順序分析和討論。

(1) 未受侵蝕區域

未受侵蝕區域出現在電弧侵蝕早期和中期(1次、10次、100次)，1000次放電后消失。Ti2AlC分布于Ag基體中，形狀保持完好，未見明顯電弧侵蝕痕跡(圖5a)。圖5b為放大的SEM像，EDS結果顯示Ti2AlC平均原子比Ti/Al為2.14，接近標準計量比(2.00)，幾乎不含O (O/Ti=0.10)。結果表明，該區域中Ti2AlC結構穩定，無明顯氧化現象。此外，10次和100次樣品中也觀察到類似結果。

圖5

圖5   放電1次后Ag/10TAC觸頭表面未受侵蝕區域的SEM像

Fig.5   Low (a) and high (b) magnified SEM images of uneroded region on the Ag/10TAC contact surface after 1-time discharging

(2) 過渡區域

圖6為1次放電后Ag/10TAC觸頭表面過渡區域(對應圖4a)微結構和元素組成。過渡區域A中(圖6a)，Ti2AlC和Ag基體表面有許多亮白色小顆粒(0.5~1.0 μm)，EDS結果顯示其由大量Ag和少量O組成。電弧高溫下，液態Ag溶解O2的能力增強[3]，氣化的Ag-O進入周圍空氣中；放電結束冷卻過程中，Ag-O蒸氣以小顆粒形式沉積到Ag基體和Ti2AlC表面，即產生過渡區域A。Ti2AlC表面還觀察到許多微小凸點(<100 nm)。EDS結果顯示Ti2AlC中Ti/Al比(2.40)和O/Ti比(0.27)升高。元素面分布結果顯示，Ag/Ti2AlC之間未見明顯擴散現象(圖6c)。Ti—Al鍵結合強度相對較弱，在溫度升高過程中易斷裂導致Ti2AlC分解[23,24,25,26]。過渡區域A中，Ti2AlC表面發生輕微分解，生成少量TiCx和Al，部分Al迅速汽化，另一部分Al擴散到周圍Ag基體中，Al含量下降導致Ti2AlC中Ti/Al比升高[27,28,29]。隨后TiCx被氧化，進而在Ti2AlC表面形成納米級氧化點。

圖6

圖6   放電1次后Ag/10TAC觸頭表面過渡區域微結構、元素組成和元素面分布

Fig.6   Microstructures and element compositions of transition regions A (a) and B (b) on the Ag/10TAC contact surface (in Fig.4a) after 1-time discharging (Inset shows the enlarged image of Ti2AlC) and EDS element map results of transition regions A (c) and B (d)

過渡區域B中(圖6b)，除了沉積的Ag-O顆粒，Ti2AlC周圍布滿了淚滴狀Ag (尺寸為1~5 μm)，表明該區域中Ag受到電弧影響更大。過渡區域B離電弧核心更近，承受電弧溫度更高，熔融Ag流動傾向更明顯。不過，Ag/TAC之間潤濕性較好，液態Ag的運動受到Ti2AlC限制，因而放電結束后凝固成淚滴狀結構[11]。此外，圖6b中插圖是Ti2AlC放大SEM像，其表面凸點尺寸(>500 nm)和數量明顯增加，表明Ti2AlC氧化程度加深。EDS結果顯示，相對于過渡區域A，過渡區域B中 Ti2AlC的Ti/Al比(2.57)和O/Ti比(0.53)進一步升高。此外，元素面分布結果顯示，Ag/Ti2AlC之間界面不清晰，Ag-Al之間產生明顯擴散(圖6d)。因此，該區域中Ti2AlC晶體結構受到電弧進一步破壞，Ti2AlC的分解、氧化以及Al的氣化、擴散更為明顯。以上結果表明，電弧侵蝕對Ag和Ti2AlC微結構和化學組成的影響是非均勻的。

(3) 受侵蝕區域

1次放電后，在電弧作用下，Ag/10TAC觸頭受侵蝕區域表面產生熔池，其內部呈現絲綢狀結構(圖7a)。在高倍SEM下觀察到一些裸露在熔池表面的Ti2AlC (圖7b)，EDS結果顯示其Ti/Al比(2.73)和O/Ti比(1.34)較高。與過渡區域相比，受侵蝕區域承受電弧柱核心極高的溫度，Ti2AlC分解、Al汽化和擴散更加明顯，導致Al損失量增大；而Ti2AlC氧化加深導致了O/Ti比持續升高。

圖7

圖7   放電1次后Ag/10TAC觸頭表面受侵蝕區域微結構和元素組成

Fig.7   Microstructures and element composition of the eroded region on the Ag/10TAC contact surface after 1-time discharging

(a) molten pool and its inside (b) enlarged image of Ti2AlC in the center of eroded region

10次放電后，Ag/10TAC觸頭受侵蝕區域表面比1次放電樣品更加粗糙，孔洞數量增加。此外，觸頭表面還觀察到一些深色不規則區域(圖8a)。高倍SEM顯示這些不規則區域呈現海綿狀結構，其表面存在微小孔洞(圖8b)。EDS結果顯示海綿狀結構主要包含Ti、Al、O (Ti/Al=3.19，O/Ti=1.77)。10次放電產生的溫度更高，Ti2AlC破壞加重導致Al損失量持續增大；同時，氧化加深使Ti2AlC表面形成侵蝕早期氧化產物(海綿狀結構)。早期產物表面孔洞為Al向外擴散和O2向內擴散提供了便捷的通道，從而加速了Ti2AlC結構解離和氧化。

圖8

圖8   放電10次后Ag/10TAC觸頭表面受侵蝕區域微結構和元素組成

Fig.8   Microstructures and element composition of the eroded region on the Ag/10TAC contact surface after 10-times discharging

(a) eroded region (b) enlarged image of spongy structure

100次放電后，Ag/10TAC觸頭表面結構進一步變差，孔洞和裂紋進一步增多(圖9a)。觸頭表面出現深色塊狀結構，高倍SEM顯示這些塊體表面致密，并有少量裂紋(圖9b)。EDS結果(表1)顯示，深色塊體主要包含Ti和O (Ti/Al≥3.60)；相對于海綿狀結構，深色塊體中Al含量降低，O含量升高。因此，深色塊體是電弧持續作用下Ti2AlC的中期氧化產物。此外，深色塊體中3種O/Ti比值(1.48、1.71、2.16)與Ti2O3、Ti3O5和TiO2中O/Ti原子比十分接近，推測該深色塊體是由這3種氧化物組成的混合物(TixOy)。

圖9

圖9   放電100次后Ag/10TAC觸頭表面受侵蝕區域微結構

Fig.9   Microstructures of the eroded region on the Ag/10TAC contact surface after 100-times discharging

(a) eroded region (b) enlarged image of dark block

表1   圖9b中黑色塊體的EDS分析

Table 1  EDS analyses of dark block in Fig.9b (atomic fraction / %)

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1000次放電后，Ag/10TAC觸頭表面深色塊體數量和尺寸明顯增加(圖10a)。EDS結果(表2)顯示深色塊體的Ti/Al比、O/Ti比與100次放電樣品類似(圖10b)，表明深色塊體化學組成基本一致。為了確定深色塊體物相組成，對受侵蝕區域表面進行XRD慢掃描(0.5°/min)分析。圖10c是觸頭表面XRD譜，除了Ag衍射峰，還存在大量TiO2和少量Ti2O3、Ti3O5衍射峰，結果表明深色塊體由TiO2、Ti2O3、Ti3O5這3種氧化物組成，且TiO2是主相。1000次放電樣品表面，部分深色塊體表面被電弧破壞產生侵蝕坑(圖10d)，侵蝕坑內部呈現條狀結構(見插圖)。圖10e是侵蝕坑的進一步放大SEM像，EDS結果(表3，位置1)顯示侵蝕坑邊緣主要含Ti和O，其Ti/Al比(3.56)、O/Ti比(2.01)與深色塊體接近。因此，侵蝕坑邊緣為氧化產物TixOy。如圖10e中插圖所示，EDS結果(表3，位置2)顯示條狀結構主要含Ti和Al (Ti/Al=2.06、O/Ti=0.31)，符合Ti2AlC標準計量比，因此，條狀結構是電弧破壞TixOy塊體后內部裸露出來的Ti2AlC。以上結果進一步揭示了Ti2AlC的氧化行為：電弧侵蝕過程中，Ti2AlC氧化是由外向內蔓延，氧化產物TixOy覆蓋在Ti2AlC表面形成氧化層，隨著電弧侵蝕的加深氧化層逐漸增厚。

圖10

圖10   放電1000次后Ag/10TAC觸頭表面受侵蝕區域微結構及受影響區域表面XRD譜

Fig.10   Microstructure of the affected region on the Ag/10TAC contact surface after 1000-times discharging (a), enlarged SEM image of the dark block (b), XRD spectrum of the eroded region (c), SEM image of block with erosion pit (d) and enlarged image of erosion pit (e)

900~1400 ℃溫度范圍內純Ti2AlC塊體氧化實驗表明：在空氣中長時間保溫時，Ti2AlC晶體結構被破壞，Al向外擴散并在Ti2AlC表面被緩慢氧化成Al2O3。隨后，結構解離的Ti2AlC被氧化成TiO2，最后TiO2與Al2O3反應生成Al2TiO5。因此，最終氧化產物是由內部Ti2AlC和外部TiO2/Al2O3/Al2TiO5共同組成的一種混合層狀結構[27,28,29]。但是，電弧侵蝕與普通熱氧化不同，放電瞬間產生極高溫度。Ti2AlC分解后，Al瞬間汽化進入空氣，不會形成Al2O3層，同時TiCx被快速氧化成TixOy混合物。因此，電弧侵蝕相當于一種快速“分解-氧化”過程：

與Ti2AlC (約10×10-6 K-1)相比，TixOy熱膨脹系數(CTE) (6.8×10-6~8.3×10-6 K-1)遠低于Ag (約19×10-6 K-1)。電弧放電和熄滅循環過程中，熱應力導致裂紋產生和擴展，且CTE差別越大，裂紋越易形成。此外，Ti2AlC表面TixOy的增加阻礙了Al-Ag之間的擴散，導致Ti2AlC和Ag結合減弱，同樣加速了裂紋形成和擴展。因此，在100次放電后，隨著觸頭表面TixOy塊體數量增加，裂紋數量也顯著上升。

5610次放電后，Ag/10TAC觸頭表面結構繼續惡化，Ag球、孔洞、裂紋數量進一步增加，TixOy塊體數量略微減少(圖11a)。TixOy塊體表面觀察到大面積電弧侵蝕坑，表明TixOy塊體受到嚴重的電弧破壞(圖11b)。當電弧侵蝕進入后期，致密厚實的TixOy層阻礙了Ti2AlC分解和氧化。此時，觸頭表面主要構成為Ag/TixOy，TixOy塊體成為電弧破壞主要對象。

圖11

圖11   放電5610次后Ag/10TAC觸頭受侵蝕區域表面微結構

Fig.11   Microstructure of the eroded region on the Ag/10TAC contact surface after 5610-times discharging (a) and enlarged image of the broken block (b)

2.5 Ag/10TAC抗電弧侵蝕機理和退化過程

根據前述討論和分析，提出Ag/10TAC復合材料的電弧侵蝕和退化機理，如圖12所示。電弧侵蝕早期，柱狀電弧作用在Ag/10TAC觸頭表面，瞬間產生由核心向外擴展的溫度梯度。處于電弧核心區的Ag基體瞬間融化、氣化并吸收周圍空氣中的O2。此外，在電弧沖擊下，部分液態Ag向四周噴濺(圖12a)。如圖12b所示，熔融Ag聚在一起形成熔池，Ag-O蒸氣以小顆粒形式沉積在觸頭表面，形成過渡區域。隨著放電次數增加，熱影響區域不斷擴大。在電弧作用下，Ti2AlC輕微分解成TiCx和Al。Al以汽化和向Ag中擴散的方式損失，導致Ti2AlC表面出現孔洞，產生海綿狀結構(圖8b)。Al通過孔洞向外擴散加速了Ti2AlC解離；O2通過孔洞進入Ti2AlC，氧化從孔洞開始逐漸蔓延至整個Ti2AlC表面并形成薄氧化層(圖12c)。電弧侵蝕早期，Ti2AlC增加了熔池黏度，限制了Ag的流動和噴濺，因此，Ag/10TAC觸頭材料損失很小(圖3)。

圖12

圖12   Ag/10TAC復合材料電弧侵蝕和退化機理示意圖

Fig.12   Schematics of electric arc erosion mechanism and degradation process of Ag/10TAC composite

Color online

(a) electric arc acts on the contact surface and molten pool forms

(b) Ag-O vapor deposits on contact surface and transitional region forms

(c) inter-diffusion of Ag-Al deepens and thin TixOy layer generates in the early period

(d) TixOy layer thickens

(e) thick TixOy blocks with cracks form

(f) TixOy blocks are damaged by electric arc and new Ag/TAC composite exposes

表3   圖10e中侵蝕坑邊緣和內部的EDS分析

Table 3  EDS analyses on the edge and inside of erosion pit in Fig.10e (atomic fraction / %)

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表2   圖10b中黑色塊體的EDS分析

Table 2  EDS analyses of dark block in Fig.10b (atomic fraction / %)

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電弧侵蝕中期，持續升高的溫度加速了Ti2AlC分解和氧化，TixOy (TiO2為主)層厚度不斷增加(圖12d)。隨著電弧侵蝕加深，Ti2AlC表面生成更多TixOy (圖12e)。質輕TixOy上浮到熔池表面并聚集成深色塊體，由于熱應力存在，塊體表面產生許多裂紋。然而較厚的TixOy層阻礙了Al和O2擴散，限制了Ti2AlC氧化。

電弧侵蝕后期(圖12f)，觸頭表面主要成分為Ag/TixOy，裸露TixOy塊體開始受到電弧侵蝕。一旦Ag/TixOy層被電弧完全破壞，內部Ag/10TAC材料重新暴露出來并承受電弧新一輪侵蝕。因此，電弧侵蝕后期Ag/10TAC材料損失升高(圖3)。

電弧侵蝕過程中，觸頭表面結構和成分改變會引起Ag/10TAC復合材料功能退化，主要體現在以下4個方面：(1) 隨著電弧侵蝕次數遞增，Ag球、孔洞和裂紋數量上升破壞了觸頭表面結構完整性，進而惡化了抗電弧侵蝕性能；(2) 相對于Ti2AlC和Ag，TixOy與Ag之間結合較差，因此，觸頭表面TixOy塊體增多破壞了Ag/10TAC復合材料的結構并惡化了抗電弧侵蝕性能；(3) TixOy熱導率(0.7~1.7 W/m·K)遠低于Ti2AlC (約40 W/(m·K))，TixOy塊體增加顯著降低了Ag/10TAC導熱性能，加重觸頭熱積累，進而加速了材料破壞；(4) 相對于Ag和Ti2AlC，TixOy電阻率高(>80×106 μΩ·m)，TixOy聚集增大了觸頭表面接觸電阻，導致觸頭溫升明顯，進而惡化了Ag/10TAC電接觸性能。在循環電弧侵蝕過程中，以上綜合作用對Ag/10TAC材料結構和功能產生了累積性破壞，最終導致了該材料退化。

3 結論

(1) 電弧侵蝕不均勻性導致Ag/10TAC觸頭表面產生3個獨特區域：未受侵蝕區域、過渡區域和受侵蝕區域。

(2) 過渡區域中，在Ag融化、氣化、吸收O2、Ag-O蒸氣沉積過程的綜合作用下，觸頭表面形成Ag-O顆粒和不規則淚滴狀Ag。Ti2AlC結構保持完好，僅有輕微分解和氧化。

(3) 受侵蝕區域中，氣化、吸收O2和Ag-Al之間擴散導致了Ag形貌和物相改變。電弧對Ti2AlC破壞嚴重，可以認為是一種快速“分解-氧化”過程。電弧侵蝕早期，Ti2AlC分解，Al持續損失產生海綿狀結構，該結構表面孔洞加速了Ti2AlC氧化。電弧侵蝕中期，氧化產物TixOy(主要為TiO2)在Ti2AlC表面形成，不斷增厚的氧化層反過來阻礙了Ti2AlC氧化。電弧侵蝕后期，聚集在觸頭表面的TixOy塊體被電弧逐漸破壞。

(4) 在電弧侵蝕過程中，Ag、Ti2AlC微結構和化學組成演變導致了Ag/10TAC復合材料表面結構和功能的改變，最終導致該復合材料退化。

來源--金屬學報