電接觸材料是承擔(dān)電路通斷控制、導(dǎo)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(fù)合材料，基體負(fù)責(zé)導(dǎo)電和導(dǎo)熱，而第二相則起到強(qiáng)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(dǎo)率和熱導(dǎo)率高、接觸電阻小而穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于不同電力負(fù)荷范圍的電路與電器中。除導(dǎo)電和抗電弧侵蝕外，電接觸材料還需具備優(yōu)異的力學(xué)性能以滿足承載及長(zhǎng)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(guò)大彈性變形保持緊密接觸，減小接觸電阻，避免松弛導(dǎo)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(zhǎng)電接觸材料及構(gòu)件的服役壽命；特別是對(duì)于導(dǎo)電彈簧等電子器件，電導(dǎo)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(dǎo)率往往難以兼得，具有良好導(dǎo)電性的銅基和銀基塊體金屬材料的彈性應(yīng)變極限大都不超過(guò)0.5%，而樹(shù)脂基導(dǎo)電材料盡管具有大彈性變形能力，但電導(dǎo)率普遍較低（通常低于1kS m-1）。因此，如何在保證高電導(dǎo)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(shí)現(xiàn)不同性能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，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(guó)科學(xué)院金屬研究所仿生材料設(shè)計(jì)制備團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外科研人員合作，利用銀的強(qiáng)度與鎳鈦合金應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變效應(yīng)之間的耦合作用，將鎳鈦合金的高彈性與銀的高電導(dǎo)率相結(jié)合，通過(guò)設(shè)計(jì)并構(gòu)筑類(lèi)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(dǎo)率和高強(qiáng)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(yáng)，通訊作者為劉增乾研究員和張哲峰研究員，并且申請(qǐng)了兩項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)：ZL202110178989.5、ZL202011297088.X）。
研究人員利用銀和鎳鈦之間超過(guò)300 的熔點(diǎn)差異，采用工業(yè)生產(chǎn)電接觸材料中常用的無(wú)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(guò)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(yīng)的前提下，實(shí)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(fù)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(guò)10MS m-1的高電導(dǎo)率，而連續(xù)的鎳鈦增強(qiáng)相能夠起到高效的強(qiáng)化作用。在變形過(guò)程中，鎳鈦相發(fā)生應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變，在消耗外加機(jī)械能的同時(shí)減輕應(yīng)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(fù)，從而賦予該電接觸材料超過(guò)1.7%的大彈性變形能力，是常用塊體導(dǎo)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(jī)械互鎖有利于促進(jìn)二者之間的應(yīng)力傳遞，避免局部應(yīng)力集中導(dǎo)致過(guò)早損傷，并且能夠?qū)⑽⒂^塑性變形與開(kāi)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(jìn)一步提高了電接觸材料的強(qiáng)度和損傷容限，使其表現(xiàn)出約1500MPa和560MPa的抗壓和抗拉強(qiáng)度，與現(xiàn)有銀基電接觸材料相比，在同等電導(dǎo)率前提下，強(qiáng)度約提高一倍，如圖1c所示。彈性、強(qiáng)度與電導(dǎo)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(yīng)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
