電接觸材料是低壓電器中實現電路控制、保證電路安全的關鍵元件。其中，銀/氧化物電接觸材料被廣泛用於家電、工業製造、能源、軍工等諸多領域。為了降低日益增長的貴金屬Ag的使用，具有優異導電性、低成本的銅/氧化物電接觸材料被認為是最好的潛在替代者。然而，在電弧作用下，表面不可逆地形成不導通的氧化銅、氧化亞銅相，惡化了銅/氧化物電接觸材料的接觸電阻；銅與常規氧化物（SnO2,ZnO, CuO）較差的潤溼性使其抗電弧燒蝕效能差。多年來，研究者透過合金化延緩電弧燒蝕下Cu的氧化，摻雜改善氧化物與銅的潤溼性，提高了銅/氧化物電接觸材料的抗電弧燒蝕效能，但其電壽命仍然與銀基有較大差距。
哈爾濱工業大學的甄良團隊基於多年來對三元氧化物化學合成的研究，依據高溫穩定性、化學穩定性和導電性，開發了一種有望取代銀/氧化物的長電壽命新型三元氧化物Zn2SnO4/Cu電接觸材料。透過第一性原理計算分析Zn2SnO4/Cu介面結合特性及其潤溼機制，同時探討了在燒蝕過程中相介面潤溼性對第二相演變行為的影響，揭示了三元氧化物/銅電接觸材料相介面結合特性對其抗電弧燒蝕機制的影響。相關論文以題為“Effects of interfacial wettability on arc erosion behavior of Zn2SnO4/Cu electrical contacts”發表在Journal of Materials Science & Technology。
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https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.08.045
本文利用第一性原理計算對比研究了SnO2/Cu和Zn2SnO4/Cu的介面分離功（0.32 eV/Å2，0.64V/Å2），介面鍵長(Cu-O: 1.926-1.941 Å，1.832-1.929Å)，差分電荷密度和態密度。結果表明，Zn2SnO4表面的O與Ag有更大程度的p-d軌道雜化，從而形成鍵長更短，更穩定的Cu-O極性共價鍵（SnO2/Cu的Cu-O鍵為離子鍵），使Zn2SnO4/Cu的介面分離功更大。該計算研究從原子層面預測和解析了Zn2SnO4與Cu兩相優異的潤溼性，Zn2SnO4/Cu的潤溼角為40~60°，而SnO2/Cu的為137~150°。
本文采用共沉澱法合成了尺寸為20-200 nm的準球型Zn2SnO4粉體，隨後，採用高能球磨混合Cu與Zn2SnO4粉體，最後採用常規粉末冶金製得不同第二相含量（1,2,4 wt%）的Zn2SnO4/Cu電接觸材料。380V-20AAC的迴圈燒蝕實驗結果表明，1萬次燒蝕後，Zn2SnO4/Cu接觸電阻低且穩定（200 mΩ，SnO2/Cu-1.4*109mΩ），質量損失大幅降低（6%，SnO2/Cu-20%）。
本文透過SEM觀察燒蝕後Zn2SnO4/Cu電接觸材料表面發現，經過萬次迴圈，三元氧化物Zn2SnO4仍細小彌散分佈在Cu的晶界處；證明了由於潤溼性的提升，奈米級Zn2SnO4在燒蝕作用下未出現常規氧化物在表面富集的現象，一方面杜絕了因非導電氧化物富集帶來的接觸電阻失穩；另一方面，能在電弧致Cu熔池中起到穩定熔池，減緩Cu溶液的飛濺，從而獲得優異的抗電弧燒蝕效能，延長電接觸材料的使用壽命。
本文結合了第一性原理計算及實驗結果揭示了金屬與氧化物之間潤溼性對電接觸材料抗電弧燒蝕效能的影響機制，為開發長壽命銅基電接觸材料提供了一種有效的成分設計方法，並將對陶瓷/金屬基異質介面的重要應用具有指導意義。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支援。
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