張 穎 王景芹 康慧玲 胡德霖

金屬摻雜AgSnO2觸頭材料的仿真與實(shí)驗(yàn)

張 穎1王景芹1康慧玲1胡德霖2

（1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)） 天津 300130 2. 蘇州電器科學(xué)研究院股份有限公司 蘇州 215104）

一直以來摻雜改善AgSnO2觸頭材料的電性能大多采用“試錯”的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，因此尋求有效的理論支撐具有非常重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。該文基于密度泛函理論的第一性原理，構(gòu)建三種金屬元素（Sr、Ga、Co）摻雜SnO2的晶胞模型，仿真研究摻雜后SnO2的穩(wěn)定性與相對電導(dǎo)率，得到最佳的摻雜元素Co。通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，首先采用溶膠凝膠法制備摻雜的SnO2粉末，X射線衍射（XRD）驗(yàn)證了溶膠凝膠法能夠?qū)崿F(xiàn)仿真計(jì)算建立的置換摻雜模型，再利用粉末冶金法制備摻雜的AgSnO2電觸頭材料，經(jīng)電性能測試驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。為篩選摻雜元素改善AgSnO2觸頭材料性能提供了理論依據(jù)。

第一性原理 金屬摻雜 AgSnO2觸頭材料 電性能

0 引言

電觸頭作為低壓開關(guān)的核心部件起著電流接通和分?jǐn)嗟淖饔?，電接觸材料影響著開關(guān)電器的可靠性和使用壽命[1-2]。因此，研究電觸頭材料具有重要的意義。

2003年，歐盟RoHS指令要求從2006年7月起禁止在電氣設(shè)備中使用包括Cd在內(nèi)的六種有害物質(zhì)。雖然RoHS指令的附件中豁免了電觸頭中Cd及其化合物的使用。但2019年歐盟對RoHS指令又進(jìn)行了修改，規(guī)定在大部分應(yīng)用設(shè)備中電觸頭中的Cd及其化合物的使用可豁免至2021年7月21日，少量特殊應(yīng)用設(shè)備最晚可豁免至2024年7月21日[3-4]。與此同時，我國于2016年7月1日起實(shí)施《電器電子產(chǎn)品有害物質(zhì)限制使用管理辦法》，這就急切地要求尋找能替代曾被稱為“萬能觸頭”的AgCdO的觸頭材料。

經(jīng)過長期的研究發(fā)現(xiàn)，AgSnO2觸頭材料是一種性能可以和AgCdO相媲美且最有希望取代AgCdO的環(huán)保型觸頭材料[5-7]。AgSnO2是目前研究最深入、應(yīng)用最廣泛的中低壓開關(guān)電器用電接觸材料[8]。但在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，AgSnO2觸頭材料的導(dǎo)電性在相同條件下比AgCdO差，這是因?yàn)镾nO2是一種近乎絕緣的寬禁帶半導(dǎo)體材料，造成AgSnO2觸頭材料在使用過程中的接觸電阻增大、溫升較高，致使觸頭的可靠性降低、電壽命縮短，嚴(yán)重降低了AgSnO2觸頭的電氣性能[9-10]。

通過摻雜改善AgSnO2觸頭材料的電性能一直以來是國內(nèi)外重要的研究方向。文獻(xiàn)[11-12]采用實(shí)驗(yàn)的方法研究了Bi摻雜對銀氧化錫觸頭材料電性能的影響。文獻(xiàn)[13-14]采用溶膠-凝膠化學(xué)鍍法制備了摻雜Ce的AgSnO2觸頭材料，液相原位化學(xué)法和粉末冶金法制備了摻雜Ti的AgSnO2觸頭材料。文獻(xiàn)[15]介紹了添加物（WO3, MoO2, Bi2O3, CuO, RuO2, ZnO, Ta2O3, HgO, RuO2, Sb2O3, TeO2, TaC）對AgSnO2觸頭材料電性能的影響。文獻(xiàn)[16]采用自組裝沉淀法制備了Zr和Fe摻雜的AgSnO2。通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻雜可以改善AgSnO2觸頭材料的電性能。但是，采用實(shí)驗(yàn)的方法研究摻雜改善AgSnO2觸頭材料電氣性能，摻雜元素的種類和摻雜比例依靠“試錯”的方法進(jìn)行，勢必會造成人力、物力和財(cái)力的極大浪費(fèi)，致使投資大、效益低；而且制備摻雜的銀氧化錫觸頭材料的實(shí)驗(yàn)方法也不盡相同，如此得出的結(jié)論對于通過對比進(jìn)行篩選得到最佳電氣性能的摻雜元素和比例具有很大的局限性。因此，目前摻雜改善AgSnO2觸頭材料電性能的研究急需尋求有效的理論支撐。

本文提出基于密度泛函理論（Density Functional Theory, DFT）的第一性原理方法對AgSnO2觸頭材料電性能進(jìn)行仿真計(jì)算。此方法可以仿真計(jì)算具有周期性結(jié)構(gòu)體系、不依賴于任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)即可解析得到體系的基態(tài)電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)[17]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果即可分析不同元素、不同比例摻雜后觸頭材料的電性能的優(yōu)良程度。

根據(jù)文獻(xiàn)[11-16]可知，金屬摻雜可以有效改善觸頭材料的性能，故本文仿真計(jì)算分別選擇了三種金屬元素（Sr、Ga、Co）摻雜SnO2，以期通過計(jì)算與分析它們的電性能來找到最佳的摻雜元素。

首先進(jìn)行了不同比例（16.7%、12.5%、8.34%、6.25%）不同摻雜元素（Sr、Ga、Co）的計(jì)算，得到Sr摻雜AgSnO2接觸材料的最佳比例為6.25%，Ga和Co的最佳摻雜比例分別為8.34%和6.25%[18]。所以本文在三種金屬元素（Sr、Ga、Co）摻雜SnO2的最佳比例的前提下，篩選得到AgSnO2觸頭材料電性能優(yōu)良的摻雜元素。

1 第一性原理計(jì)算的模型與方法

1.1 仿真計(jì)算模型

從仿真軟件的結(jié)構(gòu)庫中直接導(dǎo)入SnO2晶胞結(jié)構(gòu)[19]。圖1為晶胞模型。SnO2晶胞包含2個Sn原子和4個O原子，Sn原子分別位于體心和頂角，O原子分別位于體面和體內(nèi)，如圖1a所示。選擇置換摻雜的方式，將晶胞中的一個Sn原子替換成為摻雜原子，構(gòu)建不同的超晶胞模型來控制摻雜比例。6.25%原子摻雜比例通過建立2×2×2的SnO2超晶胞得到，8.34%原子摻雜比例通過建立1×2×3的SnO2超晶胞得到。

圖1 晶胞模型

1.2 計(jì)算方法

采用材料仿真軟件中的CASTEP模塊進(jìn)行基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算，此仿真廣泛地應(yīng)用于計(jì)算陶瓷、半導(dǎo)體和金屬等具有周期性結(jié)構(gòu)材料的研究[20-21]。選擇超軟贗勢（ultra-soft pseudo potential）描述價(jià)電子和離子實(shí)之間的相互作用；交換-關(guān)聯(lián)能采用廣義梯度近似（Generalized Gradient Approximation, GGA）下的PBE泛函進(jìn)行處理，采用BFGS（broyden flecher goldfarb shanno）算法對三種金屬元素（Sr、Ga、Co）摻雜SnO2的晶胞模型進(jìn)行仿真計(jì)算[22-23]。

2 仿真結(jié)果與穩(wěn)定性和導(dǎo)電性分析

首先對圖1中的超晶胞模型進(jìn)行優(yōu)化，找到晶體結(jié)構(gòu)的最穩(wěn)定點(diǎn)，再進(jìn)行能量計(jì)算得到三種元素（Sr、Ga、Co）摻雜SnO2的形成焓、能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度，分析不同金屬元素?fù)诫sSnO2的穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。

2.1 晶體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性分析

SnO2和三種金屬元素（Sr、Ga、Co）摻雜SnO2的晶胞優(yōu)化后的晶格常數(shù)、體積以及形成焓，見表1。

表1 不同摻雜體系的晶格常數(shù)、體積和形成焓

Tab.1 Lattice constant, volume and enthalpy of formation

注：1?=10-10m。

形成焓是不同類原子從其單質(zhì)狀態(tài)生成化合物所釋放或吸收的能量，它表示化合物生成的難易程度[24]，有

當(dāng)形成焓為負(fù)值時，其絕對值越大，表示此材料越穩(wěn)定。從表1中可以看到，最穩(wěn)定的是Co摻雜的SnO2晶胞模型。

三種金屬摻雜SnO2晶胞之后，晶格常數(shù)與體積均有不同程度的增大，這是由于摻雜原子在替換到SnO2晶格后，其性質(zhì)和被替換Sn原子的性質(zhì)不同，會使原有的原子排列規(guī)則發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致晶格畸變，晶胞體積膨脹。

2.2 能帶結(jié)構(gòu)分析

SnO2以及三種金屬Sr（6.25%）、Ga（8.34%）、Co（6.25%）摻雜SnO2的能帶圖如圖2所示。0eV為費(fèi)米能級見虛線，費(fèi)米能級以上為導(dǎo)帶，費(fèi)米能級以下為價(jià)帶。

通過仿真計(jì)算得到SnO2的帶隙值為1.003eV，與文獻(xiàn)[25-26]計(jì)算得到的帶隙結(jié)果接近，表明仿真計(jì)算選用參數(shù)的合理性。但是仿真計(jì)算得到的帶隙值小于SnO2的實(shí)驗(yàn)值3.6eV，這主要是由于第一性原理計(jì)算所采用的廣義梯度近似方法在計(jì)算過程中會過高地估計(jì)Sn原子的能量，造成Sn的5s態(tài)與O的2p態(tài)之間的雜化作用增強(qiáng)，使價(jià)帶變寬，從而導(dǎo)致計(jì)算得到的能隙值相比實(shí)驗(yàn)值偏小。然而，仿真計(jì)算的方法和參數(shù)設(shè)置一致，且本文關(guān)注的重點(diǎn)在于對摻雜前后SnO2能帶變化趨勢的分析，此誤差不會影響摻雜前后SnO2能帶結(jié)果的分析。

分析圖2可知，摻雜后的導(dǎo)帶和價(jià)帶能級均變得密集且平緩，并向費(fèi)米能級處聚集，局域性增強(qiáng)。在價(jià)帶頂附近的能級曲線變得非常平緩幾乎變成直線，這對于自由電子的躍遷十分有利，因此，導(dǎo)電性增強(qiáng)了。摻雜引入了受主能級，增大了載流子濃度，受主雜質(zhì)能級中空穴之間的相互排斥作用會使載流子匯聚于價(jià)帶頂附近，同時也為載流子的躍遷提供了媒介，減小了其躍遷所需要的能量，進(jìn)而提高了SnO2的導(dǎo)電性能。在這三種金屬摻雜的SnO2中，Co摻雜后的導(dǎo)帶部分向費(fèi)米能級處靠近的程度更大。

2.3 態(tài)密度分析

態(tài)密度是能帶圖的可視化結(jié)果，從態(tài)密度可以看出各個原子對能帶的貢獻(xiàn)程度并反映晶胞內(nèi)摻雜原子與其他原子的相互作用，還可以得到在不同能量值時電子的分布規(guī)律[27]。

總態(tài)密度（Total Density of States, TDOS）表示體系中所有電子的能量分布狀態(tài)。分波態(tài)密度表示不同軌道電子的成鍵情況。SnO2以及三種金屬Sr（6.25%）、Ga（8.34%）、Co（6.25%）摻雜SnO2的態(tài)密度圖如圖3所示。

由圖3可知，相比于SnO2的態(tài)密度，摻雜后O的2p電子態(tài)在費(fèi)米能級附近的作用程度變大。

Sr元素?fù)诫s后，由能帶圖和態(tài)密度圖中可看到，在價(jià)帶能級（-15～-10eV）及（-35～-30eV）區(qū)域均出現(xiàn)了新的、較窄的雜質(zhì)能級帶，通過分波態(tài)密度圖發(fā)現(xiàn)，這分別是Sr的4p和4s電子態(tài)的作用，使得價(jià)帶展寬，但由于遠(yuǎn)離費(fèi)米能級，對材料的性能影響不大，可忽略不計(jì)。Sr的3d電子態(tài)與O的2p電子態(tài)共同作用于費(fèi)米能級處，使得價(jià)帶頂穿過費(fèi)米能級進(jìn)入導(dǎo)帶中，且Sr的3d電子態(tài)與O的2p電子態(tài)及少量Sn的5p電子態(tài)在費(fèi)米能級附近形成了雜化軌道，使得費(fèi)米能級附近的載流子數(shù)增加。Sr的3d電子態(tài)及Sn的5s、5p電子態(tài)共同作用于導(dǎo)帶區(qū)域，使得導(dǎo)帶向費(fèi)米能級方向移動的程度增加。總的來說，在Sr元素?fù)诫s后，Sr的3d電子態(tài)作用于費(fèi)米能級附近，導(dǎo)電性得到提高。

Ga元素?fù)诫s后，從總態(tài)密度圖可以看出，與未摻雜SnO2相比，Ga摻雜體系總態(tài)密度峰值增加，局域性增強(qiáng)，結(jié)合分態(tài)密度可以看出，在遠(yuǎn)離費(fèi)米能級的（-15～-10eV）區(qū)域出現(xiàn)的新能級主要由Ga的4p電子態(tài)貢獻(xiàn)。在費(fèi)米能級附近的價(jià)帶區(qū)域，Ga的4s及微量3d電子態(tài)與O的2p電子態(tài)發(fā)生了雜化，載流子數(shù)增加，Ga摻雜體系的電性能相對未摻雜得到改善。

Co元素?fù)诫s后，Sn的5s和5p電子態(tài)在導(dǎo)帶部分的作用區(qū)域重疊，作用程度增強(qiáng)，使得導(dǎo)帶向低能級移動程度相對較大。因?yàn)樵诮^對溫度零度時，電子會將費(fèi)米能級以下所有的能級填滿，費(fèi)米面會將占據(jù)態(tài)與未占據(jù)態(tài)分隔開來，只有費(fèi)米能級附近的電子才有可能發(fā)生躍遷，因此金屬材料的電學(xué)性質(zhì)主要由費(fèi)米能級附近的電子態(tài)確定。Co元素?fù)诫s后，在費(fèi)米能級附近能明顯看到3d軌道的貢獻(xiàn)，這對提高它的導(dǎo)電性起到了重要的作用。

通過以上能帶圖和態(tài)密度圖分析可得，以上三種金屬（Sr、Ga、Co）的摻雜能夠改善SnO2的導(dǎo)電性。

2.4 導(dǎo)電性分析

為了進(jìn)一步比較三種摻雜元素的導(dǎo)電性，根據(jù)半導(dǎo)體物理學(xué)理論，材料的導(dǎo)電性可以通過電導(dǎo)率i來表征[28]，有

式中，i為電子濃度；為電子電荷常量；i為電子遷移率。

電子有效質(zhì)量為

式中，為普朗克常數(shù)；為波矢；為波矢處的電子能量。所以電導(dǎo)率與摻雜濃度、電子有效質(zhì)量成反比，與電子濃度成正比，有

根據(jù)本文建模的實(shí)際情況，若篩選得到三種金屬元素（Sr、Ga、Co）摻雜SnO2材料的最佳電導(dǎo)率，只需對它們進(jìn)行對比，得到相對電導(dǎo)率即可。將Co摻雜SnO2材料的電導(dǎo)率Co作為基準(zhǔn)進(jìn)行比較，有

電子濃度可以通過Origin軟件對態(tài)密度進(jìn)行積分得到，電子有效質(zhì)量可以通過對能帶圖進(jìn)行2次求導(dǎo)得到，計(jì)算得到的相對電導(dǎo)率見表2。

表2 相對電導(dǎo)率

Tab.2 Relative conductivity

由表2可得出，Co摻雜SnO2的電性能最佳，其次是Sr摻雜。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 溶膠凝膠法制備摻雜的SnO2粉末

傳統(tǒng)的粉末冶金制備方法只是單純地將銀粉和摻雜氧化物以及氧化錫粉末機(jī)械混合，但是這樣制備的觸頭材料卻不能與本文原子置換的仿真模型對應(yīng)，因此，本文采用溶膠凝膠的制備方法得到Sr、Ga、Co摻雜SnO2的固溶體。

實(shí)驗(yàn)所需要使用試劑的原子比和質(zhì)量比見表3。

表3 原子比和質(zhì)量比

Tab.3 Atomic ratio and mass ratio

3.2 XRD結(jié)果分析

為了驗(yàn)證溶膠凝膠制備的摻雜的SnO2與仿真建立的置換晶胞模型相對應(yīng)，使用X射線衍射儀對粉末進(jìn)行物相結(jié)構(gòu)分析，摻雜結(jié)構(gòu)以Co摻雜的SnO2粉末為例。衍射儀波長為0.154 05nm，掃描范圍10°～90°，掃描速度為12°/min。

未摻雜的SnO2和Co摻雜SnO2的X射線衍射（X-Ray Diffractometor, XRD）如圖4所示。從圖中可以看出，金屬Co摻雜SnO2的衍射峰的峰位與SnO2的峰位基本一致，說明摻雜以后沒有改變SnO2的晶體結(jié)構(gòu)，也沒有產(chǎn)生新的物相，即摻雜元素在采用溶膠-凝膠制備工藝過程中實(shí)現(xiàn)了置換固溶體，與仿真建立的模型相對應(yīng)。

圖4 X射線衍射圖

3.3 粉末冶金法制備摻雜的AgSnO2觸頭材料

通過將溶膠-凝膠法、高能球磨工藝和粉末冶金工藝結(jié)合可制備組織和成分分布均勻的摻雜的AgSnO2粉末，克服了粉末冶金法存在混合不均勻以及粉末團(tuán)聚等缺陷。

3.4 電導(dǎo)率的測量

采用金屬電導(dǎo)率測試儀測量觸頭材料的電導(dǎo)率。金屬電導(dǎo)率測試儀以電磁感應(yīng)原理為依據(jù)，間接評定金屬材料的導(dǎo)電性，測量頻率選為60kHz，測試時采用手持式渦流非鐵金屬電導(dǎo)率測試儀的測量探頭ES40，把探頭放到被測金屬表面進(jìn)行直接測試，數(shù)據(jù)處理采用單片機(jī)，因此能夠測出較精確的數(shù)據(jù)。且配有20℃電導(dǎo)率值自動歸準(zhǔn)溫度補(bǔ)償裝置，使測試的環(huán)境更穩(wěn)定。每個試樣均進(jìn)行5次測定，并求其平均值。

AgSnO2和金屬Sr、Co、Ga摻雜AgSnO2觸頭的電導(dǎo)率見表4。由表4可知，Co摻雜AgSnO2觸頭材料的電導(dǎo)率最好，其次為Sr摻雜。這與仿真計(jì)算得到的電導(dǎo)率結(jié)果吻合。

表4 電導(dǎo)率

Tab.4 Conductivity

3.5 燃弧能量以及接觸電阻的測試與分析

本文采用JF04C型電接觸觸頭測試系統(tǒng)進(jìn)行電接觸模擬實(shí)驗(yàn)。測試系統(tǒng)的開機(jī)保護(hù)設(shè)為±40V，實(shí)驗(yàn)電流為DC 13A，電壓為DC 24V，觸頭間的距離為10mm，接觸壓力設(shè)為0.86N，由于本文進(jìn)行的是電接觸模擬實(shí)驗(yàn)，采用的實(shí)驗(yàn)電壓和電流均是直流，不存在過零點(diǎn)，因此電弧不會因?yàn)檫^零點(diǎn)而間斷地減小或熄滅。本測試系統(tǒng)未配置滅弧裝置，觸頭材料的電弧侵蝕比較嚴(yán)重，綜合考慮電接觸的實(shí)驗(yàn)次數(shù)設(shè)為25 000次。

通過實(shí)驗(yàn)得到燃弧能量、平均燃弧能量、接觸電阻以及平均接觸電阻見表5。由表5可知，與未摻雜的AgSnO2觸頭材料相比，摻雜后觸頭材料的平均接觸電阻與平均燃弧能量均減?。粡淖畲笾岛妥钚≈祦砜?，燃弧能量與接觸電阻也均變小。這是由于摻雜的SnO2具有良好的熱穩(wěn)定性，可以使摻雜的SnO2在由電弧作用所形成的熔融金屬液池中保持懸浮狀態(tài)，有效抑制了摻雜的SnO2在觸頭表面匯聚，當(dāng)電弧熄滅熔融金屬液池迅速凝固時，摻雜的SnO2仍可以在Ag基體處均勻分布，進(jìn)而保證了觸頭材料的電接觸特性不會惡化，增強(qiáng)了其耐電弧侵蝕性能。

表5 燃弧能量和接觸電阻

Tab.5 Arc energy and contact resistance

表中，以Co摻雜的AgSnO2觸頭材料減小的更明顯，說明其電性能更好。

3.6 材料損耗的測量與分析

在25 000次實(shí)驗(yàn)之后，電觸頭表面會因?yàn)殡娀∏治g發(fā)生蒸發(fā)、飛濺等現(xiàn)象，導(dǎo)致電觸頭的破壞和電觸頭材料的損耗。材料的損耗特性是衡量其使用壽命的重要指標(biāo)。

電接觸實(shí)驗(yàn)后，AgSnO2以及Sr、Ga、Co摻雜AgSnO2觸頭的陰、陽極觸頭材料質(zhì)量的變化量和觸頭質(zhì)量損失量見表6。

觸頭材料的熱穩(wěn)定性越好，在承受電弧的作用時越不易分解，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)之后，觸頭材料的損失量會越小。

由表6可知，摻雜的AgSnO2陰、陽極觸頭質(zhì)量的變化量減小，其中，Co摻雜AgSnO2觸頭的質(zhì)量變化量最?。欢矣|頭質(zhì)量損失量的大小與仿真分析摻雜以后SnO2的穩(wěn)定性結(jié)果是一致的。

表6 材料轉(zhuǎn)移量

Tab.6 Material transfer

3.7 觸頭表面的微觀形貌與分析

在電接觸實(shí)驗(yàn)之后，使用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy, SEM）觀察電弧侵蝕后不同元素?fù)诫sAgSnO2觸頭材料的表面形貌，微觀形貌如圖5所示。

圖5 微觀形貌

從圖5中未摻雜AgSnO2的表面形貌可以看出，觸頭表面有孔洞和燒蝕坑，使得AgSnO2觸頭材料表面粗糙。摻雜后觸頭表面無大面積燒蝕坑，表面較AgSnO2平整，說明摻雜可以分散在電弧作用下SnO2在銀基體中的匯集，避免重新凝固成SnO2聚集體。其中，Co摻雜AgSnO2觸頭材料的侵蝕表面狀況最為平整，其次是Sr摻雜AgSnO2觸頭材料。這是由于Co摻雜后的觸頭具有低而穩(wěn)定的接觸電阻、燃弧能量小、穩(wěn)定性好。這與仿真分析得到電性能好壞的結(jié)果一致。

4 結(jié)論

本文采用第一性原理對三種金屬（Sr、Ga、Co）摻雜SnO2的超晶胞模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到形成焓、能帶圖和態(tài)密度圖。最后通過溶膠-凝膠法、高能球磨工藝和粉末冶金工藝制備了Sr、Ga和Co摻雜的AgSnO2觸頭材料。

1）通過仿真分析得到摻雜以后材料的穩(wěn)定性增強(qiáng)，其中，最好的是Co摻雜的SnO2，其次是Ga摻雜。通過Origin軟件對仿真得到的能帶圖進(jìn)行二次積分，對態(tài)密度圖進(jìn)行求導(dǎo)，得到Co摻雜SnO2的電導(dǎo)率最大。

2）通過實(shí)驗(yàn)分析得到摻雜后AgSnO2觸頭材料的電導(dǎo)率增大；接觸電阻、燃弧能量和材料損耗減小。其中，Co摻雜AgSnO2觸頭材料電導(dǎo)率最大；接觸電阻、燃弧能量的平均值與最大值、最小值均最?。徊牧蠐p耗也最?。浑娊佑|實(shí)驗(yàn)后的微觀形貌圖最為平整。即Co摻雜AgSnO2觸頭材料穩(wěn)定性和電性能最好。

3）仿真計(jì)算篩選得到Co元素?fù)诫s后的觸頭材料電性能最好，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)論的正確性。

本文通過仿真篩選改善AgSnO2觸頭材料電性能的摻雜元素，大大減小了通過“試錯”實(shí)驗(yàn)篩選方法帶來的人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)，為開發(fā)綠色環(huán)保、性能優(yōu)良的AgSnO2觸頭材料提供了一種行之有效的方法。

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Simulation and Experiment of Metal-Doped AgSnO2Contact Material

1112

（1. State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 2. Suzhou Electrical Apparatus Science Academy Co. Ltd Suzhou 215104 China）

Doping to improve the electrical properties of AgSnO2contact materials has always adopted the trial and error method for experimental research.Therefore, it is of great significance and application value to seek effective theoretical method. In this paper, based on the first-principles of density functional theory, the SnO2model doped with three metal elements (Sr, Ga, Co) was constructed. The stability and relative conductivity of doped SnO2were studied by simulation, and the best doping element Co was obtained. After that, it was verified through experiments. First, the sol-gel method was used to prepare the doped SnO2powder, and the XRD verified that the sol-gel method could realize the atomic replacement of model established by the simulation. Then, the doped SnO2powder was prepared by the powder metallurgy method. The electrical properties were measured to verify the correctness of the simulation. It provides a theoretical basis for screening elements to improve the performance of AgSnO2contact materials.

First-principles, metal-doped, AgSnO2contact materials, electrical properties

TM501

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200900

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51777057）。

2020-07-20

2020-09-09

張 穎 女，1993年生，博士，研究方向?yàn)殡娖骺煽啃岳碚撆c測試技術(shù)。E-mail: 13512474229@163.com

王景芹 女，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娖骺煽啃岳碚撆c測試技術(shù)。E-mail: jqwang@hebut.edu.cn（通信作者）

（編輯 崔文靜）