電接觸材料是承擔電路通斷控制、導電以及承載作用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)-功能一體化材料，其性能直接關(guān)系到電力系統(tǒng)與電器設(shè)備的安全穩(wěn)定。常用電接觸材料主要是以銅或銀為基體的復合材料，基體負責導電和導熱，而第二相則起到強硬化作用，提高材料的抗電弧侵蝕能力。相比于銅基體系，銀基電接觸材料具有電導率和熱導率高、接觸電阻小而穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛應用于不同電力負荷范圍的電路與電器中。除導電和抗電弧侵蝕外，電接觸材料還需具備優(yōu)異的力學性能以滿足承載及長期服役需求，其中彈性變形能力尤為重要。一方面，電接觸材料能夠通過大彈性變形保持緊密接觸，減小接觸電阻，避免松弛導致的接觸不良造成起弧放電等；另一方面，大彈性變形能力有助于減輕塑性變形引起的損傷累積，延緩疲勞失效，延長電接觸材料及構(gòu)件的服役壽命；特別是對于導電彈簧等電子器件，電導率和彈性變形能力是最重要的材料性能。然而，在同一材料中高彈性和高電導率往往難以兼得，具有良好導電性的銅基和銀基塊體金屬材料的彈性應變極限大都不超過0.5%，而樹脂基導電材料盡管具有大彈性變形能力，但電導率普遍較低（通常低于1kS m-1）。因此，如何在保證高電導率的前提下提高彈性變形極限是制約高彈性電接觸材料發(fā)展的關(guān)鍵難題。
貝殼、骨骼等天然生物材料具有微觀三維互穿結(jié)構(gòu)，即各組成相保持連續(xù)并且相互貫穿，以此實現(xiàn)不同性能優(yōu)勢互補，這種巧妙的結(jié)構(gòu)可為研制新型高性能電接觸材料提供重要啟示。近日，中國科學院金屬研究所仿生材料設(shè)計制備團隊與國內(nèi)外科研人員合作，利用銀的強度與鎳鈦合金應力誘導馬氏體相變效應之間的耦合作用，將鎳鈦合金的高彈性與銀的高電導率相結(jié)合，通過設(shè)計并構(gòu)筑類似典型生物材料的微觀三維互穿結(jié)構(gòu)，發(fā)明了一種兼具高彈性、高電導率和高強度的新型銀-鎳鈦塊體電接觸材料。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在Applied Materials Today 29 (2022) 101639，文章第一作者為博士研究生張明陽，通訊作者為劉增乾研究員和張哲峰研究員，并且申請了兩項發(fā)明專利（專利號：ZL202110178989.5、ZL202011297088.X）。
研究人員利用銀和鎳鈦之間超過300 的熔點差異，采用工業(yè)生產(chǎn)電接觸材料中常用的無壓熔滲工藝，將銀熔體浸滲到熱壓燒結(jié)的多孔鎳鈦骨架中，并通過綜合調(diào)控骨架燒結(jié)溫度和熔滲溫度，在避免發(fā)生界面反應的前提下，實現(xiàn)了銀熔體完全填充骨架，獲得了不含雜質(zhì)相的致密銀-鎳鈦塊體復合材料。材料中銀和鎳鈦兩相各自保持連續(xù)，并且在三維空間相互貫穿，兩相界面表現(xiàn)為冶金結(jié)合，如圖1a所示。銀基體良好的空間連通性能夠提供連續(xù)的電子傳輸通道，賦予材料超過10MS m-1的高電導率，而連續(xù)的鎳鈦增強相能夠起到高效的強化作用。在變形過程中，鎳鈦相發(fā)生應力誘導馬氏體相變，在消耗外加機械能的同時減輕應力集中，而卸載后鎳鈦相能夠自發(fā)逆相變，引起材料整體產(chǎn)生彈性回復，從而賦予該電接觸材料超過1.7%的大彈性變形能力，是常用塊體導電金屬材料的3倍以上，如圖1b所示。此外，兩相微觀三維互穿與機械互鎖有利于促進二者之間的應力傳遞，避免局部應力集中導致過早損傷，并且能夠?qū)⑽⒂^塑性變形與開裂約束在各自相內(nèi)部，阻礙損傷演化并貫穿材料引起整體失效，因而進一步提高了電接觸材料的強度和損傷容限，使其表現(xiàn)出約1500MPa和560MPa的抗壓和抗拉強度，與現(xiàn)有銀基電接觸材料相比，在同等電導率前提下，強度約提高一倍，如圖1c所示。彈性、強度與電導率的優(yōu)異結(jié)合使得新型銀-鎳鈦電接觸材料有望在電路與電器等領(lǐng)域獲得廣泛應用。
圖1 高彈性銀-鎳鈦電接觸材料的微觀三維互穿結(jié)構(gòu)及其性能與現(xiàn)有材料的比較
