在不同气体混合物条件下，Ti2SnC在电弧放电过程中发生侵蚀和降解的机制

《Journal of Alloys and Compounds》：Mechanisms of erosion and degradation in Ti 2SnC during arc discharge across varying gas mixtures

研究Ti?SnC在N?/CO?、SF?/CO?、SF?/N?混合气体中的电弧侵蚀机制，通过实时监测电弧参数及SEM、3D SLCM形貌分析，结合XRD、Raman、XPS成分表征，揭示不同气体环境下侵蚀产物（SnO?、TiO?、Sn?N?）的形成规律，为MAX相材料在复杂气体环境中的应用提供理论依据。

　　

郝赵|辛 Zhao|慧珍慧|兰莉|刘宇森|杨雪晴|黄晓晨

安徽科技大学化学与材料工程学院，中国安徽省蚌埠市233030

摘要

本研究利用自主研发的实验装置，在可控制的环境气氛中，研究了Ti₂SnC在9千伏电压下不同气体混合物（N₂/CO₂、SF₆/CO₂、SF₆/N₂）中的电弧放电侵蚀和降解机制。电弧参数通过示波器实时记录。侵蚀区域的微观和三维形态通过扫描电子显微镜（SEM）和三维激光扫描共聚焦显微镜（3D SLCM）进行了观察。通过X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman spectroscopy）和X射线光电子能谱（XPS）分析了侵蚀区域的成分，揭示了Ti₂SnC在这些混合气氛中的电弧侵蚀机制。结果表明，电弧参数受到环境气氛的显著影响。在N₂/CO₂混合物中，电弧能量、电弧持续时间和侵蚀面积最大，依次递减为N₂/CO₂、SF₆/CO₂、SF₆/N₂；而击穿强度则呈现相反的趋势。所有混合气氛中的侵蚀区域均呈近似椭圆形，具有典型的电弧侵蚀特征，如突起、坑洞、孔隙和裂纹，其形态受电弧结构控制。混合气氛的离子化优先级和电弧能量共同决定了最终侵蚀产物的组成：N₂/CO₂混合物中主要形成SnO₂和TiO₂，SF₆/CO₂混合物中主要为SnO₂和SnF₄，SF₆/N₂混合物中主要为Sn₃N₄。这项研究扩展了MAX相材料的应用范围，并为新型电接触材料的设计提供了理论基础。

引言

物联网（IoT）和人工智能（AI）等新兴产业的迅速发展推动了能源需求的提升。作为人类生存的基本能源，电力面临着由于人口增长和传统化石燃料（如煤炭）造成的环境污染加剧而导致的能源短缺问题。因此，开发高效清洁的电力传输技术已成为全球共识。在这种背景下，太阳能和风能等可再生能源的大规模电网整合、智能电网的数字化升级以及电动汽车（EV）充电基础设施的迅速扩张，对电力系统的核心功能——实现更高效、更安全和更耐用的电能传输和控制——提出了前所未有的挑战。这正是电接触材料领域需要突破的关键领域。

电接触材料作为电力传输的关键环节，其性能直接决定了电气设备的传输效率和服务寿命[1]、[2]。从高压输电线的接触端子到电动汽车充电枪的导电针，从智能电表的继电器触点到工业机器人的滑动刷，这些微小的接触界面必须同时满足超低接触电阻、抗电弧烧蚀和抗环境腐蚀等严格要求[3]、[4]、[5]。近年来，随着航空航天、核能工程和先进电力系统等领域的快速发展，极端服务环境（如高温、高电流、等离子体辐照）对关键材料的抗烧蚀性能提出了更高要求。虽然常见的银基和铜基复合材料具有优异的导电性，但它们的润湿性差、高温抗氧化性不足以及抗电弧侵蚀能力不足，容易导致局部熔化、氧化剥落或相变[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。因此，开发兼具高导电性、优异热稳定性和卓越抗电弧侵蚀性能的新材料已成为该领域的主要研究方向。

MAX相材料（通用公式：M_n+1AX_n，其中M为过渡金属，A为A族元素，X为碳或氮）由于其纳米层结构，具有独特的金属和陶瓷性能组合。这些性能包括高熔点、良好的热/电导率、抗热震性和自润滑性[11]、[12]。这种独特的组合使MAX相材料在极端环境中具有重要的电接触应用潜力。其中，Ti₃SiC₂和Ti₃AlC₂因相对较高的电导率、优异的抗氧化性和抗热震性而在电接触材料领域受到广泛关注。与传统的金属相比，它们在空气或单一保护气体（如SF₆、N₂）中的抗电弧侵蚀性能更优[13]、[14]、[15]、[16]。然而，电接触材料的服务环境并不总是单一或惰性的。在许多实际应用中，特别是在高压开关设备、航空航天电力系统和特殊环境（如核聚变装置）中的电气连接器中，接触点通常在复杂的气体介质中工作。例如，寻找SF₆的替代品是电力设备环境可持续性的关键趋势。尽管SF₆具有优异的绝缘和灭弧性能，但其极高的全球变暖潜能（GWP）推动了环保替代气体或气体混合物的积极探索。其中，N₂/CO₂和SF₆/N₂混合物是重要的候选方案[17]、[18]。在特定密封或特殊环境（如航天器）中，可能存在预先填充的特定气体混合物（如SF₆/CO₂），这使得接触材料在这些气氛中的稳定性至关重要[19]。不同的气体介质及其混合比例显著影响电弧等离子体的特性，从而直接影响材料表面的烧蚀行为（如熔化、蒸发、氧化、相变）及其最终的服务寿命[20]。目前，关于MAX相材料在复杂混合气氛中的电弧烧蚀行为的研究，特别是在上述具有重大工程应用背景的N₂/CO₂、SF₆/CO₂和SF₆/N₂混合物中的研究仍然不足。

在各种MAX相材料中，Ti₂SnC因其Sn层的特性而受到特别关注。与Ti₃SiC₂或Ti₃AlC₂相比，Ti₂SnC具有几个独特优势：较低的合成温度、潜在的更好高温塑性，以及在特定条件下可能形成润滑性的氧化锡。这些特性预计将赋予其更优异的抗电弧侵蚀性能[21]、[22]、[23]。然而，Ti₂SnC在实际相关的混合保护气体或灭弧介质（尤其是含有CO₂或SF₆的介质）中的电弧侵蚀性能及其潜在机制仍不清楚。

因此，本研究重点研究了Ti₂SnC材料。利用模拟电弧放电实验平台，系统地考察了其在三种具有重大工程意义的混合气氛（N₂/CO₂、SF₆/CO₂和SF₆/N₂）中的电弧侵蚀性能。为了更清晰地说明我们的工作与现有文献的区别，我们在表1中总结了比较分析。本研究的结果将为评估Ti₂SnC作为极端环境电接触材料的适用性提供关键的实验数据和理论基础，并将促进高性能MAX相电接触材料在复杂多气氛环境中的设计和应用。

部分摘录

原材料

在本研究中，Ti₂SnC陶瓷粉末采用无压烧结方法制备，原料包括Ti粉末（300目，99.99%，Macklin，上海）、Sn粉末（325目，99.9%，Aladdin，上海）和C粉末（2000目，99.95%，Macklin，上海）。如图1(a)所示，制备过程包括三个主要阶段：首先，在行星球磨机（QM-3SP04，南京）中按2:1.1:1（Ti:Sn:C）的摩尔比混合化学计量粉末

Ti₂SnC粉末和块体的微观结构和成分

图3(a)-(c)分别显示了原始Ti、Sn和C粉末材料的SEM图像，显示出不同的形态和颗粒大小。图3(d)展示了合成的Ti₂SnC粉末样品的微观结构特征，其中黄色标记区域清晰地显示了材料的典型层状结构。为了更好地阐明微观结构细节，图3(e)提供了区域1的放大视图。高倍率的SEM图像显示

混合气氛的影响

电弧的本质是强电场引发初始电子发射，导致通过碰撞电离产生气体击穿。随后，电流产生的焦耳热使气体温度急剧上升，此时热电离成为主导机制。这一过程最终形成了一个高温、高导电性的等离子体通道，维持稳定的放电。在整个过程中，环境气氛起着关键作用

结论

本研究研究了Ti₂SnC材料在9千伏电压下三种不同气体混合物（N₂/CO₂、SF₆/CO₂、SF₆/N₂）中的电弧侵蚀行为。系统地考察了Ti₂SnC在侵蚀前后的电弧参数、微观结构演变和成分变化，提出了相应的侵蚀机制。主要结论如下：

(1)

N₂/CO₂混合物中的电弧能量、电弧持续时间和侵蚀面积最大，并且呈现递减趋势

CRediT作者贡献声明

慧珍慧：研究、数据管理。辛 Zhao：验证、研究、形式分析、数据管理。刘宇森：数据管理。兰莉：研究、数据管理。黄晓晨：研究、形式分析、数据管理。杨雪晴：数据管理。郝赵：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、方法论、研究、形式分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了安徽省重点研发计划（项目编号202304a05020085）、安徽省自然科学基金（项目编号2208085ME104）、安徽省教育厅重大基金（项目编号2022AH051655）、安徽省青年学者项目（项目编号830523）和安徽省应用高峰学科（项目编号XK-XJGF005）的支持