精选
原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
Cite this article:
Ma S, Li S, Chen G, et al. Key role of Ti2SnC surface oxides in tailoring interfacial diffusion behavior and electrical contact properties of Ag-based composites. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221373
文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221373
基金支持：
本工作得到了国家自然科学基金(52431003、52171033)、安徽省自然科学基金(2408085JX008)、校企产学研(RH2500000024、RH2400002823、RH2200003061)、大学生创新创业训练计划(202610360082、S202610360429)等项目的支持。
一、导读
Ag基电触头新能源、航空航天、轨道交通、医疗电子等领域核心设备中起控制和保护的关键作用。传统材料存在环保差和性能弱等严重问题，MAX相展现出极强应用潜力，但目前面临界面扩散难控与局部电弧侵蚀严重的问题。为此，本研究将Ag/Ti2SnC复合材料经预氧化处理，在Ti2SnC表面预制以TiO2为主的氧化层，调控了界面处Sn-Ag扩散行为。相对于Ag/Ti2SnC，同样经长时间电弧破坏(10,000次)，Ag/Ti2SnC@TiO2表面侵蚀形貌均匀，材料损失降低了42.9%，燃弧能量降低了24.5%。本工作为设计制备高性能Ag/MAX电触头材料提供了新路径。
二、研究背景
低压开关正向高可靠和长寿命方向发展，要求其核心部件“电触头”可长期承受高频“电-热-力-电弧”多场耦合破坏。传统Ag/CdO材料性能突出但毒性大，而无毒Ag/SnO₂、Ag/ZnO等材料仍存在润湿性差、接触电阻高、加工性不足等缺陷。如何兼顾环保与耐电弧侵蚀性能是Ag基电触头发展的重大挑战之一。
MAX相家族材料兼具金属和陶瓷双重优势，为突破Ag基电触头材料性能瓶颈提供了方向。尤其Ti2SnC具有极低电阻率（22 μΩ·cm）、与金属良好润湿性和结构可调性，作为新型增强相潜力大，前期研究验证了Ag/Ti2SnC优异抗材料迁移性能。但目前该体系电触头材料存在两方面问题。一方面是制备中温度诱导Ti-Sn键断裂并产生Sn原子向Ag基扩散行为，Sn对Ag基固溶增大电子散射、导电Ti2SnC解离损失和单一界面结构存在缺陷引发了“导电和力学性能互斥”现象。另一方面是电弧优先侵蚀Ti2SnC加速其分解和氧化，该过程虽有助于吸收部分电弧能量，但生成的非均匀氧化物主要由电弧高温随机触发，其组成、含量、形貌和分布难以控制，极易引发界面缺陷、裂纹扩展和氧化物团聚等新问题。
为了将“电弧侵蚀中Ti2SnC被动分解和随机氧化”这一现象转变为“服役前主动分解和氧化并形成可控界面层”提升抗电弧侵蚀性能，本文提出预氧化策略，在Ti2SnC表面预先构筑氧化物形成多元界面结构，进而调控Ag/Ti2SnC间Sn-Ag扩散行为，最终进一步降低Ag/Ti2SnC电触头材料损失。研究结果为Ag/MAX复合电触头材料的绿色化、高性能化和长寿命化提供了新方向。
三、文章亮点
1. 从“被动触发”转向“主动设计”，提出Ag/MAX界面调控新策略。
采用新颖的预氧化策略，在Ti2SnC表面预制了TiO2包覆层进而在Ag/Ti2SnC间形成氧化物界面，成功调控界面Sn-Ag界面扩散及与电弧相互作用。
2. 预氧化构建Ag/MAX多元界面，揭示“氧化-扩散-性能”内在关联。
氧化产生的TiO2相在Ag/Ti2SnC间作为过渡层，构建复杂的多元界面结构，提升Sn在Ag基中的扩散深度，基体强度均匀性得以提高。
3. 阐明氧化物抗电弧侵蚀的核心机制，为高性能电触头设计提供新路径。
结合微观组织演变和电弧侵蚀性能，揭示了预制氧化物在提升电触头转移电弧侵蚀方面的核心作用，为未来进一步设计制备高可靠、长寿命Ag/MAX电触头材料奠定了理论和技术基础。
四、研究结果及结论
(1) 预氧化诱导Ti2SnC表面氧化进而重构Ag/Ti2SnC界面
本工作以Ag/10 wt.% Ti2SnC复合材料为研究对象，对照样品S1只经600 ℃/2 h/Ar热处理制备Ag/TSC；而目标样品S2则先经550 ℃/5 h /O2预氧化处理，再经同样热处理工艺制备Ag/TSC@TO。直接制备的复合材料样品S1界面简单清晰，而先经预氧化处理再制备的样品S2中增强相Ti2SnC外层形成约0.5~1.0 μm连续的深色物质，结合XRD和XPS证实为钛的氧化物（TiO2为主）。XRD和EDS分析表明，相对于样品S1，样品S2的Ti2SnC中Sn在Ag基体中的扩散距离更深，形成了以Ag/(Ag+Sn)/(TiO2+Ag+Sn)/(Ti2Sn1-xC+Ag)/Ti2SnC为主要成分的多元界面界面结构。
(2) 预氧化构筑的多元界面大幅提升抗电弧侵蚀性能
在继电器中、DC/36 V/20 A电流条件下经历10,000次电弧侵蚀后，相对于样品S1（Ag/TSC），经预氧化制备的样品S2（Ag/TSC@TO）展现出更低的燃弧时间（35.2 ms）、燃弧能量（5876.7 mJ）和材料损失（1.20 wt.%），尤其样品S2材料损失减少了42.8%以上，表现出极强的抗材料转移能力。此外，电弧侵蚀后Ag/TSC@TO电触头外形规整、表面侵蚀坑少且侵蚀形貌均匀，表明界面重构对Ag/TSC@TO复合材料抗电弧侵蚀能力提升具有重要作用。
(3) 分析Ag/TSC@TO复合材料的抗电弧侵蚀机制
在界面结构、元素扩散、电接触性能及电弧侵蚀不同阶段形貌和成分演变行为等综合结果接触上，本研究分析了预氧化重构界面对Ag/Ti2SnC复合材料电接触性能的影响机制。
对于直接制备的Ag/TSC，服役初期电弧同时作用于Ag基体和Ti2SnC增强相，进而引起Ag熔化、蒸发和飞溅等材料损失行为。同时，Ti2SnC逐渐发生“缓慢分解—逐步氧化”行为，并在界面形成非均匀分布的氧化产物。尽管该过程在服役初期有助于分散电弧和吸收能量，但在电弧侵蚀中后期作用有限，并且非均匀分布的氧化物极易产生裂纹、孔洞等缺陷引危害界面结构稳定，最终引发材料快速损失和退化行为，加速了局部电弧侵蚀和整体质量损失。
对于Ag/TSC@TO复合材料，预氧化在Ag基体和Ti2SnC增强相间成功引入均匀分布、以TiO2为主成分的新物相，构建了全新的多元界面结构。服役前期，以TiO2为主的多元界面和Sn–Ag互扩散区域共同与电弧作用，延缓了电弧对大部分Ag基和Ti2SnC增强相的快速破坏，大幅减缓了整体材料损失。进入电弧侵蚀中后期，随着以TiO2为主的多元界面在持续电弧破坏下逐步损失殆尽，新暴露Ti2SnC仍可在电弧高温下发生“逐步分解—缓慢氧化”行为，进而产生新的氧化物，继续承担分散电弧和吸收能量的作用。这种“主动预制氧化物”和“被动产生氧化物”使得Ag/Ti2SnC复合材料界面始终处于持续演化状态，在主动承受电弧破坏和减缓对基体、增强相的破坏方面扮演了重要角色。
五、作者及研究团队简介
丁健翔（通讯作者），安徽工业大学材料科学与工程学院副教授、硕士生导师。2018年博士毕业于东南大学材料科学与工程专业，主要从事MAX相及其二维衍生MXene材料设计制备方面的基础研究以及二者在金属基复合电功能材料领域的应用探索。近年来主持、参与国家自然科学基金青年、重点和面上、安徽省自然科学基金青年、江苏省博士后科研资助计划及教育部重点实验室开放基金等多个项目，并与公牛集团、菲尼克斯电气（中国）、西门子（中国）等行业龙头企业开展深入技术合作。在Scripta Materialia、Corrosion Science、Journal of Alloys and Compounds、Journal of Advanced Ceramics、Ceramics International、《金属学报》、《机械工程学报》等国内外期刊发表学术论文50余篇，授权国内外发明专利8项，获江苏省科学技术奖1项。
研究方向：主要从事MAX相及其衍生材料MXene在金属基复合电功能材料基础应用探索研究，具体包括：（1）MAX相及其二维衍生MXene、一维衍生A位金属晶须的设计制备；（2）MAX相、MXene、A金属晶须与Ag、Cu、Sn等金属的复合制备、组织调控和性能优化研究；（3）墙壁开关、继电器、接触器等低压电器用环保高性能Ag基电接触材料及器件可靠性研究；（4）电子元器件连接用Sn基复合焊料设计制备、性能优化和可靠性评估研究；（5）新能源汽车充电桩用Cu基插枪端子材料设计制备与载流性能研究。
作者邮箱： jxding@ahut.edu.cn
作者ORCID：0000-0001-7365-373X
郑伟，东南大学材料科学与工程学院副研究员、硕士生导师。2019年获东南大学材料科学与工程专业博士学位，2019~2022年在瑞典林雪平大学（Linköping University）从事博士后研究，2022年起任职于东南大学。主要围绕MAX/MXene等低维层状材料、功能陶瓷及其复合材料开展研究，主持“TMDS@MXene复合材料的结构设计及铵离子存储”等基础研究项目，并参与国家自然科学基金重点项目以及半导体行业氮化物静电吸盘、耐腐蚀高导热材料等产学研项目。近年来在 Energy Storage Materials、Advanced Science、Carbon、Small Methods、ACS Applied Materials & Interfaces 等期刊发表系列研究成果，研究涉及MXene储能材料、二维异质结构、MXene衍生功能材料及极端环境功能陶瓷等。
研究方向：主要从事二维层状材料、功能陶瓷及先进连接材料研究，包括：（1）MAX/MXene等二维材料的成分调控、表面改性、异质结构构筑及其在超级电容器、水系离子电池等能源存储与转换领域的应用；（2）新型功能陶瓷及复合材料的制备、结构调控与极端环境服役性能研究，涉及高导热、耐腐蚀、电磁功能等方向；（3）面向半导体及电子器件的陶瓷—金属连接技术和无铅锡基焊料抗晶须研究。其研究兼顾基础材料设计与工程应用，在MAX/MXene材料从结构设计、功能衍生到能源与电子器件应用方面形成了较为系统的研究特色。
作者ORCID：0000-0003-2726-4236
张世宏，安徽工业大学党委常委、副校长，二级教授、博士生导师，担任国家重点研发计划首席科学家。“先进金属材料绿色制备与表面技术”教育部重点实验室主任。先后主持国家重点研发计划重点专项等国家级科研项目8项、省部级科研项目10余项、重大产学研项目40余项。任ISO/TC107金属与无机涂层国际标准委员会主席团成员、PVD涂层分委会主席、激光表面处理及涂层工作组召集人，中国表面工程协会副理事长，TC57全国金属与无机覆盖层标准化委员会委员、气相沉积技术分委会副主任委员。第十三届安徽省政协委员。长期围绕金属表面科学与工程、先进涂层及表面防护技术开展基础理论和应用研究，以第一/通讯作者在Acta Materialia、Corrosion Science、Wear、Tribology International、Surface & Coatings Technology及《金属学报》等高水平期刊发表学术论文150余篇，授权发明专利40余项，其中包括美国、日本等发明专利4项；主导制定国际标准14项、国家标准3项。曾获安徽省科学技术进步一等奖3项、安徽省教学成果特等奖2项、中国标准创新贡献相关奖项及ISO杰出贡献奖等。
研究方向：主要从事金属表面科学与技术、先进涂层与界面工程研究，包括：（1）利用物理气相沉积（PVD）等技术设计制备多功能硬质薄膜及耐磨、耐蚀防护涂层；（2）热喷涂及高性能复合涂层的设计、制备与工程应用；（3）面向极端服役环境的金属表面强化、防护及界面调控；（4）先进表面工程技术的标准化与产业化应用。尤其注重材料设计、表界面调控、服役性能与工程应用之间内在关联的综合研究，成果在航空发动机、燃气轮机、先进制造等高端装备表面防护等前沿领域具有较强的应用导向。
作者邮箱：shzhang@ahut.edu.cn
作者ORCID：0000-0002-0905-6292
作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：
(1) Wang Q, Wang T, Chen L, et al. Designing high dielectric breakdown strategy for high-temperature capacitive energy storage and filtering performance via carrier trap mechanism. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(7): 9221103. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221103
(2) Wu X, Wu C, Wei X, et al. Influence of nano-mechanical evolution of Ti3AlC2 ceramic on the arc erosion resistance of Ag-based composite electrical contact material. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(2): 176-188. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220839
(3) Ma C, He L, Bi L, et al. Enhanced conductivity and stability of Co0.98CuxMn2.02−xO4 ceramics with dual phases and twin structures. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(9): 1742-1757. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220783
(4) Tian Z, Zhang P, Sun W, et al. Vegard’s law deviating Ti2(SnxAl1−x)C solid solution with enhanced properties. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(8): 1655-1669. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220779
(5) DING J, TIAN W, ZHANG P, et al. Preparation and arc erosion properties of Ag/Ti2SnC composites under electric arc discharging. Journal of Advanced Ceramics, 2019, 8(1): 90-101. https://doi.org/10.1007/s40145-018-0296-y
《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社有限公司出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2026年6月发布的影响因子为14，连续6年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社有限公司自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自清华大学出版社学术期刊科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-3534092-1556843.html?mobile=1
收藏
