基本信息
- 项目名称：
- 高压高性能梯度铜钨整体电触头的开发与应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目基于梯度功能材料（FGM）这一新概念，运用粉末冶金熔渗技术制造梯度成分整体高压电触头，成功开发出了可控Cu、W两种材料的成分比例,使其内部组成和结构呈梯度变化的触头材料。根据触头实际使用性能的要求不同，可灵活设计不同部位的成分比例。而连续改变的组成和结构,减小和克服了内部界面及连接部位的性能不匹配因素，较传统工艺法生产的铜钨系电触头，其导电率、导热率和结合强度等性能均明显提高了。
- 详细介绍：
- 当前国家正在大力改造城乡电网，主要目标是提高供电的可靠性，因而需要大批技术先进、性能稳定可靠的高压电器产品。对于电力系统的关键性部件电触头，CuW系触头材料因其具有良好的耐电弧侵蚀性、抗熔焊性及高强度而得到了广泛应用于各种断路器、真空负荷开关和变压器转换开关上。随着高压输变电网络负荷日益增加、控制系统不断发展，而传统CuW整体触头材料日渐难以满足更高综合性能要求。 本作品基于梯度功能材料的新设想和新概念，开发出新型梯度CuW整体电触头材料。结合了Cu、W这两种材料的优点,可根据触头实际使用性能要求，设计不同部位的成分比例，通过连续地改变Cu、W的组成和结构,以减小和克服传统电触头内部界面及连接部位的性能不匹配因素，从而得到功能相应于组成和结构的变化渐变的非均质材料，使整体性能最优化。 通过试验测试及分析，所制备的新型梯度CuW70整体触头的各项性能指标，明显优于国内同类传统非梯度CuW70合金电触头。首先，力学方面，新型梯度CuW70整体触头的结合强度为321MPa，明显高于非梯度CuW70合金电触头的297.2MPa，远高于目前高压开关企业的技术要求196 MPa，硬度与同成分国内外电触头相当，满足了高压开关的力学性能要求。其电阻率低，电导性能明显优于传统非梯度CuW合金电触头。热学方面，新型梯度CuW整体触头热导高，导热性能也优于传统非梯度CuW合金电触头，同时梯度CuW电触头中的各梯度层间的CuW配比关系及热膨胀相差不大，可以很好的保证和过渡内部热失配率，可见CuW电触头与导电Cu材料的良好匹配。显微结构上，梯度CuW电触头几乎全致密，并且触头中W颗粒分散均匀，构成基本骨架且连续均匀，Cu基本均匀分布在W骨架间隙，形成了较为理想的网络结构。此外，高压型式试验进一步验证新型梯度CuW70整体触头的抗电弧烧蚀和抗热应力明显优于传统CuW70合金电触头，具有高的可靠性和长的使用寿命。 CuW梯度材料制造高压电触头，将填补国内当前这一技术空白，为电触头生产注入一项全新的技术。且梯度成分设计方法减少了贵金属W的消耗，节约了资源。同时，我们相信运用该技术制作的电触头，无论在技术含量上，或是在使用寿命、生产效率和批量生产的价格上，都较传统电触头生产方法占有明显的优势，极具市场竞争力。产业化应用后，将很快淘汰现有传统电触头生产工艺，形成新的生产格局，带动相关行业的发展。 关键词：梯度材料、CuW合金、电触头、高压开关
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的:调研显示，高压电器开关质量的高低直接影响着输变电是否稳定可靠，一次意外的停电带来的经济损失是难以估量的。为此目前国家正投入巨资（2600亿元）进行大规模城乡电网改造，急需大批技术先进的高性能高压电器产品。仅国内五大高压开关厂之一的西安高压开关厂每年就需几千万的CuW触头，市场广阔。该技术的产业化，将使电触头生产技术赶上世界先进水平，增强相关产品的国际竞争力。 基本思路: 本项目即将1984年日本科学家平井敏雄提出的梯度功能材料新概念,用于制造CuW梯度成分整体电触头技术中。结合Cu、W两种材料的优点,根据触头实际使用性能要求，设计不同部位的成分比例，通过连续地改变组成和结构,以减小和克服内部界面及连接部位的性能不匹配因素，使整体性能最优化。 创新点:最初梯度材料的提出是为了解决航天飞机的热应力问题，本项目将其运用到制造高压整体电触头中，在国内外属首创。运用该技术制作的CuW电触头，提高了其导电导热率、结合强度和抗烧蚀性能，使其在使用寿命、生产效率和批量生产的价格上，较传统工艺均有明显优势，极具市场竞争力。 技术关键:考虑到采用粉末冶金工艺，能够提供大范围的成分和显微组织控制及良好的形成能力，本项目选择粉末冶金法实现梯度。生产工艺上则采用熔渗一体化法，即熔渗的同时使熔渗的铜液与导电体铜熔铸成一体。 技术指标:根据工作环境的不同， CuW 梯度功能材料的性能评价主要有致密性、热导率、高W 面的热膨胀系数、热冲击性能，对于电触头材料和面向等离子体材料还要作热损蚀评价等。
科学性、先进性
- 科学先进性 （1）CuW梯度材料制造高压电器用的电触头，将填补当前这一技术空白，为电触头生产注入一项全新的技术。 （2）节约资源，梯度成分设计方法减少了贵金属钨的消耗。 （3）粉冶金熔渗原理，开发高性能CuW/Cu(合金)梯度成分整体触头的制造技术。这种具有递变成分的CuW合金使整体触头具有高的导电率、导热率和高的结合强度，从而改善了抗烧蚀性能、耐电弧侵蚀性、抗熔焊性能。性能优异，增强了高压电器运行的安全性。 （4）利用粉末冶金技术制造的梯度材料电触头与现有电触头产品的生产和其性能相比，价格性能比极具市场竞争优势，加之本身业已存在的应用背景，有望创造极高的经济利益。 （5）该产品的市场化将会引起电触头制造技术的重大变化，推动电触头制作水平的提高；也必将打破现有电触头的生产格局，引起产业结构的重组，由现在的小型化、手工式、劳动密集型朝今后的集团化、流水线式、技术密集型方向发展，有利于企业自身的生存与发展。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年3月，获得西安福莱电工合金有限公司的“产品使用与试验证明”，结果证实该新产品性能优异，且生产成本低，可满足超高压、高压电器触头性能要求。（详见作品附表一） 2011年3月，获得临沂市科创材料有限公司的产品使用证明，证实该产品力学性能与电学性能都比常规产品优异，可以很好满足超高压、特高压电器触头性能要求。（详见作品附表二）
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 制定生产技术标准，专利转让，产品服役后的技术支持及失效分析
作品可展示的形式
- 实物、样品、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势:本项目采用粉末冶金熔渗法，开发了CuW/Cu合金梯度成分整体触头制造技术。此递变成分整体触头具有高导电导热率和高结合强度，提高了抗烧蚀性、耐电弧侵蚀性、抗熔焊性能。 使用范围:电触头、电阻焊、电火花加工和等离子电极材料、电热和高比重合金、特殊用途军工材料以及计算机中央处理系统、大规模集成电路的引线框架、固态微波管等。 市场分析及推广前景：为提高供电稳定性国家斥巨资（2600亿）进行大规模城乡电网改造，急需大批高性能高压电器产品，仅国内五大高压开关厂之一的西安高压开关厂每年就需要几千万CuW触头，市场前景广阔。从目前文献专利等资料查新及国外同行考察来看，迄今无相关技术的电触头产品出现，即本技术处前沿水平，一旦切入高压开关行业，将长期占有市场。 经济效益预测：该技术电触头产品，因其性价比更优，使用寿命更长，加之本身业已存在的应用背景，极具市场竞争优势，有望创造极高的经济利益。能促进高压电器开关行业的发展，为国家培养税源，提供劳动就业，为社会经济发展提供了有力的科技支持。
同类课题研究水平概述
- 国内外的研究现状 电触头是电器开关的接触元件，主要担负着接触、断开负载电流的任务，触头和灭弧系统是开关的心脏，开关的安全性，可靠性及开断和关合特性很大程度上取决于触头材料的物理性质及其电特性。随着高压输变电网络向着大容量、超高压的方向发展，对电触头材料的性能提出更高的要求。因此，它的性能直接影响着开关电器的可靠性运行。不仅要求CuW电触头有更高的物理机械性能。还应具有更好的耐电弧烧蚀性能和更长的使用寿命，因此，开发和研制新型高性能CuW材料将为超特高压断路器运行的可靠性提供保障。 认真分析国内外电工合金行业中电触头企业，可以看到生厂商的常规产品都为成分均一的CuW触头，不能显著提高CuW触头的导热、结合强度以及电性能，无法更好的满足高压开关的需要。这些触头在开断过程中产生的现象极其复杂，在电弧能量、接触压力、环境等因素综合作用下，触头表面发生加热、熔化、气化、流动、凝固等物理冶金过程，导致触头表面产生软化、喷溅、流动、裂纹等现象。 本项目开发的CuW电触头梯度材料，主要基于梯度功能材料的新设想和新概念，即：选择使用两种具有不同性能的材料,通过连续地改变两种材料的组成和结构,使其内部界面消失,从而得到功能相应于组成和结构的变化渐变的非均质材料,以减小和克服结合部位的性能不匹配因素。本项目首次结合粉末冶金熔渗技术和梯度成分设计原理制造梯度成分整体电触头，用该技术制造的电触头产品无论在技术含量上，或是在使用寿命、生产效率和批量生产的价格上，都较传统电触头生产方法占有明显的优势，且最主要的是它提高了CuW电触头的导热率、结合强度和抗烧蚀性能。该产品具有极强的市场竞争力，产业化应用后可替代现有常规电触头，形成新的生产格局，带动相关行业的发展，市场应用前景非常广阔。
