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基本信息

項目名稱：
高壓高性能梯度銅鎢整體電觸頭的開發(fā)與應(yīng)用
小類：
能源化工
簡介：
本項目基于梯度功能材料（FGM）這一新概念，運用粉末冶金熔滲技術(shù)制造梯度成分整體高壓電觸頭，成功開發(fā)出了可控Cu、W兩種材料的成分比例,使其內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)呈梯度變化的觸頭材料。根據(jù)觸頭實際使用性能的要求不同，可靈活設(shè)計不同部位的成分比例。而連續(xù)改變的組成和結(jié)構(gòu),減小和克服了內(nèi)部界面及連接部位的性能不匹配因素，較傳統(tǒng)工藝法生產(chǎn)的銅鎢系電觸頭，其導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率和結(jié)合強度等性能均明顯提高了。
詳細(xì)介紹：
當(dāng)前國家正在大力改造城鄉(xiāng)電網(wǎng)，主要目標(biāo)是提高供電的可靠性，因而需要大批技術(shù)先進、性能穩(wěn)定可靠的高壓電器產(chǎn)品。對于電力系統(tǒng)的關(guān)鍵性部件電觸頭，CuW系觸頭材料因其具有良好的耐電弧侵蝕性、抗熔焊性及高強度而得到了廣泛應(yīng)用于各種斷路器、真空負(fù)荷開關(guān)和變壓器轉(zhuǎn)換開關(guān)上。隨著高壓輸變電網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷日益增加、控制系統(tǒng)不斷發(fā)展，而傳統(tǒng)CuW整體觸頭材料日漸難以滿足更高綜合性能要求。 本作品基于梯度功能材料的新設(shè)想和新概念，開發(fā)出新型梯度CuW整體電觸頭材料。結(jié)合了Cu、W這兩種材料的優(yōu)點,可根據(jù)觸頭實際使用性能要求，設(shè)計不同部位的成分比例，通過連續(xù)地改變Cu、W的組成和結(jié)構(gòu),以減小和克服傳統(tǒng)電觸頭內(nèi)部界面及連接部位的性能不匹配因素，從而得到功能相應(yīng)于組成和結(jié)構(gòu)的變化漸變的非均質(zhì)材料，使整體性能最優(yōu)化。 通過試驗測試及分析，所制備的新型梯度CuW70整體觸頭的各項性能指標(biāo)，明顯優(yōu)于國內(nèi)同類傳統(tǒng)非梯度CuW70合金電觸頭。首先，力學(xué)方面，新型梯度CuW70整體觸頭的結(jié)合強度為321MPa，明顯高于非梯度CuW70合金電觸頭的297.2MPa，遠(yuǎn)高于目前高壓開關(guān)企業(yè)的技術(shù)要求196 MPa，硬度與同成分國內(nèi)外電觸頭相當(dāng)，滿足了高壓開關(guān)的力學(xué)性能要求。其電阻率低，電導(dǎo)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)非梯度CuW合金電觸頭。熱學(xué)方面，新型梯度CuW整體觸頭熱導(dǎo)高，導(dǎo)熱性能也優(yōu)于傳統(tǒng)非梯度CuW合金電觸頭，同時梯度CuW電觸頭中的各梯度層間的CuW配比關(guān)系及熱膨脹相差不大，可以很好的保證和過渡內(nèi)部熱失配率，可見CuW電觸頭與導(dǎo)電Cu材料的良好匹配。顯微結(jié)構(gòu)上，梯度CuW電觸頭幾乎全致密，并且觸頭中W顆粒分散均勻，構(gòu)成基本骨架且連續(xù)均勻，Cu基本均勻分布在W骨架間隙，形成了較為理想的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，高壓型式試驗進一步驗證新型梯度CuW70整體觸頭的抗電弧燒蝕和抗熱應(yīng)力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)CuW70合金電觸頭，具有高的可靠性和長的使用壽命。 CuW梯度材料制造高壓電觸頭，將填補國內(nèi)當(dāng)前這一技術(shù)空白，為電觸頭生產(chǎn)注入一項全新的技術(shù)。且梯度成分設(shè)計方法減少了貴金屬W的消耗，節(jié)約了資源。同時，我們相信運用該技術(shù)制作的電觸頭，無論在技術(shù)含量上，或是在使用壽命、生產(chǎn)效率和批量生產(chǎn)的價格上，都較傳統(tǒng)電觸頭生產(chǎn)方法占有明顯的優(yōu)勢，極具市場競爭力。產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用后，將很快淘汰現(xiàn)有傳統(tǒng)電觸頭生產(chǎn)工藝，形成新的生產(chǎn)格局，帶動相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。 關(guān)鍵詞：梯度材料、CuW合金、電觸頭、高壓開關(guān)

作品圖片

  • 高壓高性能梯度銅鎢整體電觸頭的開發(fā)與應(yīng)用
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作品專業(yè)信息

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

目的:調(diào)研顯示，高壓電器開關(guān)質(zhì)量的高低直接影響著輸變電是否穩(wěn)定可靠，一次意外的停電帶來的經(jīng)濟損失是難以估量的。為此目前國家正投入巨資（2600億元）進行大規(guī)模城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造，急需大批技術(shù)先進的高性能高壓電器產(chǎn)品。僅國內(nèi)五大高壓開關(guān)廠之一的西安高壓開關(guān)廠每年就需幾千萬的CuW觸頭，市場廣闊。該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，將使電觸頭生產(chǎn)技術(shù)趕上世界先進水平，增強相關(guān)產(chǎn)品的國際競爭力。 基本思路: 本項目即將1984年日本科學(xué)家平井敏雄提出的梯度功能材料新概念,用于制造CuW梯度成分整體電觸頭技術(shù)中。結(jié)合Cu、W兩種材料的優(yōu)點,根據(jù)觸頭實際使用性能要求，設(shè)計不同部位的成分比例，通過連續(xù)地改變組成和結(jié)構(gòu),以減小和克服內(nèi)部界面及連接部位的性能不匹配因素，使整體性能最優(yōu)化。 創(chuàng)新點:最初梯度材料的提出是為了解決航天飛機的熱應(yīng)力問題，本項目將其運用到制造高壓整體電觸頭中，在國內(nèi)外屬首創(chuàng)。運用該技術(shù)制作的CuW電觸頭，提高了其導(dǎo)電導(dǎo)熱率、結(jié)合強度和抗燒蝕性能，使其在使用壽命、生產(chǎn)效率和批量生產(chǎn)的價格上，較傳統(tǒng)工藝均有明顯優(yōu)勢，極具市場競爭力。 技術(shù)關(guān)鍵:考慮到采用粉末冶金工藝，能夠提供大范圍的成分和顯微組織控制及良好的形成能力，本項目選擇粉末冶金法實現(xiàn)梯度。生產(chǎn)工藝上則采用熔滲一體化法，即熔滲的同時使熔滲的銅液與導(dǎo)電體銅熔鑄成一體。 技術(shù)指標(biāo):根據(jù)工作環(huán)境的不同， CuW 梯度功能材料的性能評價主要有致密性、熱導(dǎo)率、高W 面的熱膨脹系數(shù)、熱沖擊性能，對于電觸頭材料和面向等離子體材料還要作熱損蝕評價等。

科學(xué)性、先進性

科學(xué)先進性 （1）CuW梯度材料制造高壓電器用的電觸頭，將填補當(dāng)前這一技術(shù)空白，為電觸頭生產(chǎn)注入一項全新的技術(shù)。 （2）節(jié)約資源，梯度成分設(shè)計方法減少了貴金屬鎢的消耗。 （3）粉冶金熔滲原理，開發(fā)高性能CuW/Cu(合金)梯度成分整體觸頭的制造技術(shù)。這種具有遞變成分的CuW合金使整體觸頭具有高的導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率和高的結(jié)合強度，從而改善了抗燒蝕性能、耐電弧侵蝕性、抗熔焊性能。性能優(yōu)異，增強了高壓電器運行的安全性。 （4）利用粉末冶金技術(shù)制造的梯度材料電觸頭與現(xiàn)有電觸頭產(chǎn)品的生產(chǎn)和其性能相比，價格性能比極具市場競爭優(yōu)勢，加之本身業(yè)已存在的應(yīng)用背景，有望創(chuàng)造極高的經(jīng)濟利益。 （5）該產(chǎn)品的市場化將會引起電觸頭制造技術(shù)的重大變化，推動電觸頭制作水平的提高；也必將打破現(xiàn)有電觸頭的生產(chǎn)格局，引起產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重組，由現(xiàn)在的小型化、手工式、勞動密集型朝今后的集團化、流水線式、技術(shù)密集型方向發(fā)展，有利于企業(yè)自身的生存與發(fā)展。

獲獎情況及鑒定結(jié)果

2011年3月，獲得西安福萊電工合金有限公司的“產(chǎn)品使用與試驗證明”，結(jié)果證實該新產(chǎn)品性能優(yōu)異，且生產(chǎn)成本低，可滿足超高壓、高壓電器觸頭性能要求。（詳見作品附表一） 2011年3月，獲得臨沂市科創(chuàng)材料有限公司的產(chǎn)品使用證明，證實該產(chǎn)品力學(xué)性能與電學(xué)性能都比常規(guī)產(chǎn)品優(yōu)異，可以很好滿足超高壓、特高壓電器觸頭性能要求。（詳見作品附表二）

作品所處階段

中試階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

制定生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，專利轉(zhuǎn)讓，產(chǎn)品服役后的技術(shù)支持及失效分析

作品可展示的形式

實物、樣品、圖片

使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測

技術(shù)特點和優(yōu)勢:本項目采用粉末冶金熔滲法，開發(fā)了CuW/Cu合金梯度成分整體觸頭制造技術(shù)。此遞變成分整體觸頭具有高導(dǎo)電導(dǎo)熱率和高結(jié)合強度，提高了抗燒蝕性、耐電弧侵蝕性、抗熔焊性能。 使用范圍:電觸頭、電阻焊、電火花加工和等離子電極材料、電熱和高比重合金、特殊用途軍工材料以及計算機中央處理系統(tǒng)、大規(guī)模集成電路的引線框架、固態(tài)微波管等。 市場分析及推廣前景：為提高供電穩(wěn)定性國家斥巨資（2600億）進行大規(guī)模城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造，急需大批高性能高壓電器產(chǎn)品，僅國內(nèi)五大高壓開關(guān)廠之一的西安高壓開關(guān)廠每年就需要幾千萬CuW觸頭，市場前景廣闊。從目前文獻專利等資料查新及國外同行考察來看，迄今無相關(guān)技術(shù)的電觸頭產(chǎn)品出現(xiàn)，即本技術(shù)處前沿水平，一旦切入高壓開關(guān)行業(yè)，將長期占有市場。 經(jīng)濟效益預(yù)測：該技術(shù)電觸頭產(chǎn)品，因其性價比更優(yōu)，使用壽命更長，加之本身業(yè)已存在的應(yīng)用背景，極具市場競爭優(yōu)勢，有望創(chuàng)造極高的經(jīng)濟利益。能促進高壓電器開關(guān)行業(yè)的發(fā)展，為國家培養(yǎng)稅源，提供勞動就業(yè)，為社會經(jīng)濟發(fā)展提供了有力的科技支持。

同類課題研究水平概述

國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 電觸頭是電器開關(guān)的接觸元件，主要擔(dān)負(fù)著接觸、斷開負(fù)載電流的任務(wù)，觸頭和滅弧系統(tǒng)是開關(guān)的心臟，開關(guān)的安全性，可靠性及開斷和關(guān)合特性很大程度上取決于觸頭材料的物理性質(zhì)及其電特性。隨著高壓輸變電網(wǎng)絡(luò)向著大容量、超高壓的方向發(fā)展，對電觸頭材料的性能提出更高的要求。因此，它的性能直接影響著開關(guān)電器的可靠性運行。不僅要求CuW電觸頭有更高的物理機械性能。還應(yīng)具有更好的耐電弧燒蝕性能和更長的使用壽命，因此，開發(fā)和研制新型高性能CuW材料將為超特高壓斷路器運行的可靠性提供保障。 認(rèn)真分析國內(nèi)外電工合金行業(yè)中電觸頭企業(yè)，可以看到生廠商的常規(guī)產(chǎn)品都為成分均一的CuW觸頭，不能顯著提高CuW觸頭的導(dǎo)熱、結(jié)合強度以及電性能，無法更好的滿足高壓開關(guān)的需要。這些觸頭在開斷過程中產(chǎn)生的現(xiàn)象極其復(fù)雜，在電弧能量、接觸壓力、環(huán)境等因素綜合作用下，觸頭表面發(fā)生加熱、熔化、氣化、流動、凝固等物理冶金過程，導(dǎo)致觸頭表面產(chǎn)生軟化、噴濺、流動、裂紋等現(xiàn)象。 本項目開發(fā)的CuW電觸頭梯度材料，主要基于梯度功能材料的新設(shè)想和新概念，即：選擇使用兩種具有不同性能的材料,通過連續(xù)地改變兩種材料的組成和結(jié)構(gòu),使其內(nèi)部界面消失,從而得到功能相應(yīng)于組成和結(jié)構(gòu)的變化漸變的非均質(zhì)材料,以減小和克服結(jié)合部位的性能不匹配因素。本項目首次結(jié)合粉末冶金熔滲技術(shù)和梯度成分設(shè)計原理制造梯度成分整體電觸頭，用該技術(shù)制造的電觸頭產(chǎn)品無論在技術(shù)含量上，或是在使用壽命、生產(chǎn)效率和批量生產(chǎn)的價格上，都較傳統(tǒng)電觸頭生產(chǎn)方法占有明顯的優(yōu)勢，且最主要的是它提高了CuW電觸頭的導(dǎo)熱率、結(jié)合強度和抗燒蝕性能。該產(chǎn)品具有極強的市場競爭力，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用后可替代現(xiàn)有常規(guī)電觸頭，形成新的生產(chǎn)格局，帶動相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，市場應(yīng)用前景非常廣闊。
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