Etude prospective et compréhension physico-chimique des renforts pour matériaux composites à base métallique argent dans les appareils électriques

Prospective study and physico-chemical understanding of metallic Ag based composite material reinforcements for electrical devices

• Auteur / Autrice : Sybille Pastre
• Direction : Francis Abraham
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et dynamique des systèmes réactifs
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Lille 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conduction électrique

Frittage (métallurgie)

Contacts métal-semiconducteur

Composites à matrice métallique

Poudres métalliques

Semiconducteurs -- Dopage

Oxydes de cuivre

Dioxyde d'étain

Céramiques électroniques

Résumé

Cette étude s'inscrit dans le cadre d'une convention CIFRE en collaboration avec Schneider Electric et le Laboratoire de Cristallochimie et Physico-chimie du Solide à Villeneuve d'Ascq. Ce sujet porte sur la compréhension et l'amélioration des propriétés physico-chimiques des céramiques à base d'oxyde d'étain utilisées comme renfort dans les pastilles de contact à base métallique argent. En effet, les pièces de contact électriques font l'objet de sollicitations thermomécaniques qui détériorent la structure initiale, donc dégradent les propriétés d'emploi. L'élaboration du renfort Sn02 dopé CuO selon deux voies de synthèse différentes (Pechini et attrition) permet d'obtenir des poudres dont la taille des particules est inférieure au micron. Les analyses de surface des poudres dites Pechini mettent en évidence une ségrégation du cuivre vers la surface de Sn02 sous ses deux états de valence, alors qu'avec les poudres attritées le cuivre se situe à la surface des particules de Sn02 sous la forme CuO. L'utilisation de telles poudres améliore la densification des renforts frittés à 933°C. L'étude est poursuivie avec Sb203 qui améliore la conductivité électrique du renfort SnO2-CuO. Les matériaux composites fabriqués avec une poudre de renfort fine présentent une microstructure plus homogène et une meilleure aptitude au frittage que ceux élaborés avec des poudres plus grossières. Cela a comme conséquence l'augmentation de la dureté Vickers et permet une nette amélioration des performances des pastilles de contact lors des essais électriques, en particulier pour ce qui a trait à l'endommagement causé par la soudure.

The present work is part of a collaboration between Schneider Electric (CIFRE fundings) and the Laboratoire de Cristallochimie et Physico-chimie du Solide in Villeneuve d’Ascq. The aim was to better understand and to improve the physicochemical properties of tin dioxide based ceramics use as a reinforcement in electric contacts made of metallic silver matrix. Indeed, electric contacts can be damaged by thermomechanical constraints, thus leading to a deterioration of the properties. The development of CuO doped Sn02 reinforcement using two different methods of synthesis (Pechini and attrition) allows to obtain powders with particle size lower than the micron. Surface analysis of powders (so called Pechini) shows a migration of copper, in its two valence states, towards the surface of Sn02 particles, whereas with powders resulting from attrition, the copper, in the form CuO, is located at the particles surface of Sn02. The use of such powders, obtained with both methods improves the densification of sintered reinforcements at 933°C. The study is carried on with Sb203 which improves the electric conductivity of CuO doped Sn02 reinforcement. Composite materials made of fine reinforcement powders presents not only a microstructure which is more homogeneous, but alsoa better sintering capability than those elaborated with coarse-grained powders. Finally, the manufacture of fine powders has the consequence of an increase of the Vickers hardness and of clearly improving the performance of the contacts, during electrical tests, especially when it is damaged by the welding process.