Modelling investigation of morphology for Ag-C powders mixtures created by mechanical alloying process

Jedną z głównych przeszkód w skutecznym zastosowaniu cząstek węgla do umocnienia kompozytów na osnowie metali jest ich niedostateczna dyspersja w samej osnowie. Szczególne trudności dyspersyjne obserwuje się w kompozytach na osnowie srebra stosowanych na nakładki stykowe w łącznikach niskonapięciowych, ponieważ srebro i węgiel nie reagują ze sobą. W artykule przedstawiono badania struktury proszków otrzymanych podczas procesu mechanicznej syntezy (MS) czystego Ag o różnych kształtach oraz mieszaniny Ag z dodatkami 0,1 % wag. i 3 % wag. węgla. Stwierdzono, że proces formowania cząstek w wyniku zgrzewania na zimno, dzięki wysokiej energii zderzeń pomiędzy kulami i cząstkami srebra, ma różny przebieg i zależy od kształtu proszku wyjściowego. W wyniku procesu MS mieszaniny sferycznego proszku Ag i C zaobserwowano zmniejszenie wielkości cząstek oraz zmianę ich kształtu. Ponadto, badania przeprowadzone na mikroskopie skaningowym wykazały, że już po 30 minutach procesu w przypadku obu rodzajów proszków Ag i kulistego proszku C tworzy się proszek kompozytowy Ag-C. Badania potwierdziły istotną zależność pomiędzy energią procesu MS a strukturą proszków kompozytowych. Otrzymane rezultaty są spójne z wnioskami zaprezentowanymi przez autorów w publikacji [11]. Uważamy, że zastosowanie procesu mechanicznej syntezy do otrzymywania kompozytów Ag-C stosowanych na styki w łącznikach niskonapięciowych może być w przyszłości dobrym rozwiązaniem.One of the major obstacles to the effective use of carbon particles as reinforcements in metal matrix composites is their poor dispersion within metallic matrix. Especially, within silver matrix using on low voltage electrical contact tips for reason that no nuclear phases for Ag and C elements. This paper studies the milling structures of pure, different in shape silver powders and mixtures 0,1% wt. and 3% wt. C in it, formatted during mechanical alloying (MA) processes. It was found that high energy collisions between balls and pure Ag powders cold welded particles together in different ways depending to particles shapes. Two effects: size decreasing and shape particles changing were observed for spherical powders Ag-C3 mixture, MA processes after. Moreover, SEM investigations appeared composite Ag-C structure for both shapes Ag and spherical C in powders milling 30 minutes only. The strongly compositing effects were observed for Ag flat in shape and round C particles. The investigations confirmed essential relation between MA energy and structure of composite powders. Our results and conclusions are convergent to suggestions expressed by Morsi K. and Esawi A. in publication [11]. Authors hope so mechanical alloying is good way to get Ag-C material for low voltage electrical contact tips, in the future

The Influence of the Microstructure on the Switching Properties of Ag C, Ag-WC-C and Ag-W-C Contact Materials

W pracy badano wpływ mikrostruktury kompozytów Ag-C oraz Ag-WC-C i Ag-W-C na ich właściwości łączeniowe. Do wytworzenia kompozytów stosowano dwa sposoby przygotowania mieszanin wyjściowych: klasyczne mieszanie proszków oraz mechaniczną syntezę (MA - mechanical allaying). Porównano odporność kompozytowych materiałów stykowych wykonanych różnymi technologiami na erozję łukową, rezystancje zestykową i odporność na sczepianie. Badania właściwości łączeniowych prowadzono w układach modelowych. Stwierdzono, że zastosowanie procesu MA do przygotowania mieszanin wyjściowych powoduje wzrost odporności na erozję badanych materiałów

The Influence of the Microstructure on the Switching Properties of Ag C, Ag-WC-C and Ag-W-C Contact Materials

The correlation between the microstructure of Ag-C, Ag-WC-C and AgWC composites and their switching properties was investigated. Two methods were used to manufacture the starting powder mixtures, namely classical milling and mechanical alloying . The arc erosion, contact resistance and welding forces of the contact materials obtained by different methods were measured using model devices. This paper presents the results achieved for the tested materials. It was found that weight loss was lower for the contacts produced by high energy milling.W pracy badano wpływ mikrostruktury kompozytów Ag-C oraz Ag-WC-C i Ag-W-C na ich właściwości łączeniowe. Do wytworzenia kompozytów stosowano dwa sposoby przygotowania mieszanin wyjściowych: klasyczne mieszanie proszków oraz mechaniczną syntezę (MA - mechanical allaying). Porównano odporność kompozytowych materiałów stykowych wykonanych różnymi technologiami na erozję łukową, rezystancje zestykową i odporność na sczepianie. Badania właściwości łączeniowych prowadzono w układach modelowych. Stwierdzono, że zastosowanie procesu MA do przygotowania mieszanin wyjściowych powoduje wzrost odporności na erozję badanych materiałów

Wpływ mikrostruktury na właściwości łączeniowe kompozytowych materiałów stykowych Ag-C, Ag-WC-C i Ag-W-C

The correlation between the microstructure of Ag-C, Ag-WC-C and AgWC composites and their switching properties was investigated. Two methods were used to manufacture the starting powder mixtures, namely classical milling and mechanical alloying . The arc erosion, contact resistance and welding forces of the contact materials obtained by different methods were measured using model devices. This paper presents the results achieved for the tested materials. It was found that weight loss was lower for the contacts produced by high energy milling.W pracy badano wpływ mikrostruktury kompozytów Ag-C oraz Ag-WC-C i Ag-W-C na ich właściwości łączeniowe. Do wytworzenia kompozytów stosowano dwa sposoby przygotowania mieszanin wyjściowych: klasyczne mieszanie proszków oraz mechaniczną syntezę (MA - mechanical allaying). Porównano odporność kompozytowych materiałów stykowych wykonanych różnymi technologiami na erozję łukową, rezystancje zestykową i odporność na sczepianie. Badania właściwości łączeniowych prowadzono w układach modelowych. Stwierdzono, że zastosowanie procesu MA do przygotowania mieszanin wyjściowych powoduje wzrost odporności na erozję badanych materiałów

The role of particle size in the process of forming the structure of a composite powder by mechanical alloying

Publikacja stanowi podsumowanie prac teoretycznych i doświadczalnych związanych z prognozowaniem struktury i otrzymywaniem materiałów kompozytowych z osnową srebrową i kruchymi fazami wzmacniającymi. Dwa modele geometryczne: model pokrycia powierzchniowego (MPP) i model gęstego upakowania (MGU) cząstek sferycznych w i na cząstce kulistej zostały zespolone z podstawowym równaniem procentu objętościowego faz wzmacniających w osnowie. W ten sposób uzyskano przestrzeń, w której kierując się zasadami dynamiki można przewidzieć strukturę kompozytów otrzymywanych metodą syntezy mechanicznej (MS). Prognozowanie modelowe zweryfikowano na dziewięciu zaplanowanych materiałach kompozytowych stosowanych na styki elektryczne, ograniczając się do układów kompozytowych złożonych z osnowy plastycznej i kruchych faz wzmacniających.This publication provides a summary of theoretical and experimental research related to forecasting the structure and obtaining composite materials with a silver matrix and fragile reinforcing phases. Two geometrical models, i.e. a model of the surface coating (MSC) and high-density model (MHD) of spherical particles in and on a spherical particle have been combined with a basic equation of the volumetric percentage of the reinforcing phase in the matrix. This has provided a space where the structure of the composites obtained by mechanical alloying (MA) can be predicted when guided by the principles of dynamics. The model forecasting has been verified using nine previously selected composite materials applied in electrical contacts, limited to systems composed of a plastic composite matrix and brittle reinforcement phases

Thermophysical properties of Cu-C composites obtained by powder metallurgy

Wykonano badania materiałów kompozytowych typu Cu-C otrzymanych metodą metalurgii proszków domieszkowanych różnymi postaciami węgla (nanoproszek węgla, nanorurki węglowe oraz zredukowany tlenek grafenu). Na podstawie przeprowadzonych metodami skaningowej mikroskopii elektronowej badań strukturalnych oraz wykonanych badań właściwości termofizycznych (skaningowa kalorymetria różnicowa, dylatometria, analiza laserowa impulsowa) stwierdzono, że zastosowana procedura wytwarzania materiałów kompozytowych zapewnia zadawalające rozmieszczenie fazy węglowej w osnowie metalowej w skali makro i mezo. W skali mikro obserwowana jest porowatość oraz niejednorodność skutkująca obniżeniem przewodności cieplnej (TC -1 · K-1), mimo zadawalających wyników względnej zmiany wymiarowej. Wprowadzenie zredukowanych płatków tlenku grafenu oraz węglowych nanorurek krótkich do matrycy Cu powoduje zmiany wymiarowe kompozytów w trakcie nagrzewania na skutek reakcji utleniania/redukcji osnowy Cu oraz utleniania fazy węglowej tlenem i wydzielania się produktów gazowych reakcji (CO2, CO, C, H2O i H2 oraz węglowodorów). Kompozyt zmienia swoje wymiary – pęcznieje, a na jego powierzchni obserwowane są wybrzuszenia.Studies of composite materials of the Cu-C type with additives of different forms of carbon (carbon nanopowder, carbon nanotubes and reduced graphene oxide) were performed by the powder metallurgy method. Based on the structural tests conducted by scanning electron microscopy methods and the examinations of the thermophysical properties (differential scanning calorimetry, dilatometry, laser flash analysis), it was stated that the applied procedure of fabricating composite materials ensures a satisfactory distribution of the carbon phase in the metal matrix in the macro- and meso-scale. In the micro-scale, we observe porosity and heterogeneity resulting in a lowered thermal conductivity (TC -1 · K-1), despite the satisfactory results of the relative dimensional change. Introducing reduced graphene oxide flakes and short carbon nanotubes into the Cu matrix causes dimensional changes in the composites during heating as a result of oxidation/reduction of the Cu matrix, as well as oxidation of the carbon phase by oxygen and emission of gas products of the reaction (CO2, CO, C, H2O and H2 and hydrocarbons). The composite changes its dimensions: it expands, and bulges are observed on its surface

Physical and Electrical Properties of Silver-Matrix Composites Reinforced with Various Forms of Refractory Phases

This paper presents technological trials aimed at producing Ag-W, Ag-WC, Ag-W-C and Ag-WC-C composite contact materials and characterizing their properties. These materials were obtained using two methods, i.e. press-sinter-repress (PSR) at the refractory phase content of less than 30% by weight as well as press-sinter-infiltration (PSI) at the refractory phase content of ≥50% by weight). The results of research into both the physical and electrical properties of the outcome composites were shown. They include the analysis of the influence of the refractory phase content (W or WC) on arc erosion and contact resistance changes for the following current range: 6 kAmax in the case of composites with a low refractory phase content, 10 kAmax in the case of composites with the refractory phase content of ≥50% by weight

Właściwości elektryczne materiałów stykowych Ag-C i Cu-C

Industrial production of various forms of carbon, including graphene, nanotubes, and fullerenes, expanded the range of composite materials for which they constitute the reinforcing phase of metallic matrices. It was expected that the graphene form (GF) reinforcing phase would improve the electrical, thermal, and mechanical properties of such composites. Composites with Cu and Ag matrices, having a wide range of applications in micro- and optoelectronics, aerospace and automotive industries, proved to be particularly promising. A specific group of these composites is used in a variety of electrical circuits for electrical switches, contactors, circuit breakers, voltage regulators, and arcing tips. Among others, this group includes composites such as Ag-W, Ag-WC, Ag-WC-C, or Cu-W. The presented results of electrical tests performed for the Cu (Ag) /GF composites extend the number of properties of materials used in air and vacuum electrical contacts.Przemysłowe otrzymywanie rozmaitych form węgla – grafenu, nanorurek, fulerenów – rozszerzyło gamę materiałów kompozytowych, w których stanowią one fazę wzmacniającą matryc metalicznych. Oczekiwano, że grafenowa faza wzmacniająca polepszy cechy elektryczne, cieplne i wytrzymałościowe takich kompozytów. Szczególnie obiecującymi są kompozyty z matrycami Cu lub Ag znajdujące zastosowania w mikroelektronice i optoelektronice, przemysłach lotniczym i samochodowym. Specyficzna grupa tych kompozytów stosowana jest w rozmaitych elementach układów elektrycznych jako wyłączniki etc. Do grupy tej należą między innymi kompozyty Ag-W; Ag-WC, Ag-WC-C lub Cu-W. Prezentowane wyniki badań elektrycznych kompozytów Cu(Ag)/GF poszerzają zbiór właściwości materiałów stosowanych w powietrznych i próżniowych stykach elektrycznych

Wpływ Ti i Zr na zwilżalność i pracę adhezji w układzie Ag/C

Wettability in the silver/carbon system was examined by the sessile drop method under vacuum at the temperature of 1243 K. Vitreous carbon, diamond and graphite were used as solid substrates. after wettability tests, the solidified Ag/C and Ag-X/C (X - 1 wt.% Ti or Zr) couples were subjected to structural characterization by SEM and EDX analysis. liquid pure silver does not wet these substrates and shows week adhesion, regardless of the type of the carbon material used. the introduction of 1 wt.% carbide forming additions Ti or Zr into silver changes dramatically the interaction in the Ag/C system leading to the formation of continuous reaction product layers (TiCx and ZrCx, respectively) at the drop/substrate interface. these interfacial layers are responsible for good wetting and high work of adhesion between agti1 and AgZr1 alloys and all types of carbon materials examined in this study.Przedstawiono wyniki badań zwilżalności w układzie srebro/węgiel wykonanych w atmosferze próżni, w temperaturze 1243 K. Pomiary kąta zwilżania wykonano metodą leżącej kropli na podłożach z węgla szklistego, diamentu i grafitu. Po testach zwilżalności wytworzone pary materiałów Ag/C i Ag-X/C (X - 1% wag. Ti lub Zr) poddano analizie strukturalnej metodami SEM i EDX. Ag/C jest układem niereaktywnym, w którym srebro nie zwilża węgla. Prezentowane badania wykazują, że dodatek 1% wag. Ti lub Zr do srebra powoduje obniżenie kątów zwilżania i wzrost wartości pracy adhezji w układzie Ag/C niezależnie od typu materiału węglowego. Jest to związane z powstawaniem na granicy kontaktu kropli z podłożem węglowym warstw przejściowych zawierających węgliki TiCx lub ZrCx

Copper-Carbon Nanoforms Composites - Processing, Microstructure and Thermal Properties

The main current of publication is focused around the issues and problems associated with the formation of composite materials with Cu matrix and reinforcing phases in the various carbon nanoforms. The core of the research has been focused on thermal conductivity of these composites types. This parameter globally reflects the state of the structure, quality of raw materials and the technology used during the formation of composite materials. Vanishingly low affinity of copper for carbon, multilayered forms of graphene, the existence of critical values of graphene volume in the composite are not conducive to the classic procedures of composites designing. As a result, the expected, significant increase in thermal conductivity of composites is not greater than for pure copper matrix. Present paper especially includes: (i) data of obtaining procedure of copper/graphene mixtures, (ii) data of sintering process, (iii) the results of structure investigations and of thermal properties. Structural analysis revealed the homogenous distribution of graphene in copper matrix, the thermal analysis indicate the existence of carbon phase critical concentration, where improvement of thermal diffusivity to pure copper can occur