MAX相/MXene增强Ag基电触头材料研究现状与展望

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0047

摘要/Abstract

摘要： 作为低压开关核心支撑材料，Ag基电触头性能直接决定电力系统运行的安全与可靠性。传统Ag/CdO材料应用因Cd毒受限，而现有无毒材料在组织和性能方面存在严重缺陷，兼具金属与陶瓷双重优势的MAX相及其二维衍生MXene在加工、导电、导热及抗电弧方面各具特色，有望作为环保新型Ag基增强相的候选材料。本文在归纳传统Ag基电触头材料种类、发展及优缺点基础上，综述了近年来Ag/MAX和Ag/MXene复合材料的制备工艺、成分筛选、组织调控、性能优化等方面的研究进展，并重点阐述了Ag/MAX和Ag/MXene复合材料的抗电弧侵蚀性能及机制。最后，在评估该体系复合材料电接触应用潜力的基础上，探讨了当下面临的主要挑战及未来发展方向。

关键词: 电触头材料; Ag; MAX相; MXene; 界面扩散; 电弧侵蚀

Abstract: As the core supporting material in low-voltage switches， the performance of Ag-based electrical contacts directly influences the safety and reliability of power system operations. The application of traditional Ag/CdO is limited due to the toxicity of Cd， while existing non-toxic alternatives suffer from significant deficiencies in both microstructure and performance. MAX phase， along with their two-dimensional derivatives， MXene， combine the advantages of both metals and ceramics， showcasing distinctive characteristics in processing， electrical and thermal conductivity， and arc erosion resistance. They are therefore promising candidates as environmentally friendly reinforcement phases for Ag-based contacts. This review firstly provides a comprehensive overview of the types， development， and advantages and limitations of traditional Ag-based electrical contact materials. It further summarizes recent research advancements in the fabrication processes， composition selection， microstructural regulation， and performance optimization of Ag/MAX/MXene composites. Special emphasis is placed on the arc erosion resistance and the underlying mechanisms of Ag/MAX/MXene composites. Finally， based on the evaluation of the application potential of this composite system in electrical contacts， the current challenges and future development directions are discussed.

Key words: electrical contact material; Ag; MAX phase; MXene; interfacial diffusion; arc erosion

中图分类号:

TM503⁺.5

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图/表 11

表1 部分Ag基电触头材料的基本材料性能

Table 1 Basic material properties of selected Ag-based electrical contact materials

Material type	Reinforcement content/%	Hardness/HV	Resistivity/（μΩ·cm）	Density/（g·cm^-3）	Voltage rating/V	Current rating/A	Reference
Ag/CdO	10~18	60~100	2.02~2.30	9.9~10.2	1 000	1 000	［48⁃49］
Ag/SnO₂	10~13	80~95	1.97~2.40	9.7~9.9	500	300	［48⁃49］
Ag/ZnO	8~10	72~85	3.2~3.5	9.5~9.8	500	300	［48⁃49］
Ag/CuO	5~15	55~60	1.9~2.5	9.4~10.1	—	—	［6］
Ag/Ni	5~40	60~100	1.9~2.7	9.7~10.9	1 000	1 000	［48⁃50］
Ag/C	3~5	42~52	1.96~2.21	8.6~9.1	200	1 000	［48⁃49］
Ag/W	40~70	140~170	3.0~3.8	11.5~15.1	200	1 000	［48⁃49］
Ag/WC	5~70	45~135	3.0~3.5	9.4~12.7	200	1 000	［48⁃49］

图1 （a）MAX相与MXene组成元素在元素周期表中的位置；（b）Ti2AlC和Ti3AlC2的晶体结构；（c）对应的MXene（Ti2C、Ti3C2）

Fig.1 （a） Positions of the constituent elements of MAX phases and MXenes in the periodic table；（b） crystal structures of Ti2AlC and Ti3AlC2；（c） corresponding MXenes （Ti2C and Ti3C2）

表2 不同制备工艺下Ag/MAX/MXene复合材料性能对比

Table 2 Properties comparision of Ag/MAX/MXene composites under different preparation methods

Technique	Objective	Preparation condition	Arc condition	Relative density/%	Hardness/HV	Tensile strength/MPa	Resistivity/ （μΩ·cm）	Cycling life/cycle	Mass loss/%
SPS ［71，80］	Ag/5%Ti₃SiC₂	850 ℃/20 min/50 MPa	400 V/100 A/50 Hz	99.57	69.03	—	2.27		0.476 5 （100 cycles）
	Ag/10%Ti₃SiC₂	850 ℃/20 min/50 MPa	400 V/100 A/50 Hz	99.89	92.17±0.15	—	2.18	6 106	0.536 8 （100 cycles）
	Ag/15%Ti₃SiC₂	850 ℃/20 min/50 MPa	400 V/100 A/50 Hz	99.51	130.97	—	4.46	—	0.644 3 （100 cycles）
	Ag/10%^*Nb₂AlC	700 ℃/30 min/30 MPa	10 kV	99.2	77.4	—	7.46	—	—
HP ［70，81］	Ag/5%^*Ti₃AlC₂	800 ℃/120 min/30 MPa	—	99.90	94.5±0.3	220.0±0.7	2.90±0.01	—	—
	Ag/10%^*Ti₃AlC₂	800 ℃/120 min/30 MPa	—	—	101.5±0.3	246.9±0.7	4.20±0.02	—	—
	Ag/15%^*Ti₃AlC₂	800 ℃/120 min/30 MPa	—	—	112.0±0.3	308.4±0.9	5.26±0.03	—	—
	Ag/20%^*Ti₃AlC₂	800 ℃/120 min/30 MPa	—	—	136.3±0.1	357.3±1.1	7.19±0.04	—	—
	Ag/25%^*Ti₃AlC₂	800 ℃/120 min/30 MPa	—	—	139.7±0.2	317.3±0.9	9.43±0.03	—	—
	Ag/30%^*Ti₃AlC₂	800 ℃/120 min/30 MPa	—	98.5	169.0±0.2	235.5±0.7	10.87	—	—
	Ag/10%^*Ta₂AlC	700 ℃/30 min/30 MPa	10 kV	98.2	—	—	7.09	—	—
	Ag/20%^*Ta₂AlC	700 ℃/30 min/30 MPa	10 kV	96.4	97.4	—	7.69	—	—
	Ag/30%^*Ta₂AlC	700 ℃/30 min/30 MPa	10 kV	94.5	—	—	9.43	—	—
Pressureless sintering ［71⁃72，79，82-86］	Ag/10%Ti₃AlC₂	800 ℃/120 min	400 V/100 A/50 Hz	96.3±0.4	87.3±3.9	—	（6.06±0.4）	—	6.6±0.3 （6 000 cycles）
	Ag/10%Ti₃AlC₂	700 ℃/120 min	400 V/100 A/50 Hz	—	79	145.52	4.2	—	0.82 （3 000 cycles）
	Ag/5%Ti₃SiC₂	950 ℃/60 min	400 V/100 A/50 Hz	95.82	53.02	—	2.35	—	0.546 0 （100 cycles）
	Ag/10%Ti₃SiC₂	800 ℃/120 min	400 V/100 A/50 Hz	95.1±0.4	73.6±4.9	—	（2.71±0.4）	—	3.3±0.2 （6 000 cycles）
	Ag/10%Ti₃SiC₂	950 ℃/60 min	400 V/100 A/50 Hz	94.97	55.63±0.16	—	2.76	2 917	0.593 5 （100 cycles）
	Ag/15%Ti₃SiC₂	950 ℃/60 min	400 V/100 A/50 Hz	92.67	87.70	—	5.98	—	0.720 3 （100 cycles）
	Ag/2%Ti₂SnC	850 ℃/120 min	24 V/20 A/1 Hz	96.87	50.80	161.74	2.96	—	—
	Ag/4%Ti₂SnC	850 ℃/120 min	24 V/20 A/1 Hz	96.14	55.00	137.99	4.52	—	—
	Ag/6%Ti₂SnC	850 ℃/120 min	24 V/20 A/1 Hz	95.40	56.91	123.31	6.15	—	—
	Ag/8%Ti₂SnC	850 ℃/120 min	24 V/20 A/1 Hz	95.06	62.71	107.04	7.81	—	—
	Ag/10%Ti₂SnC	800 ℃/120 min	400 V/100 A/50 Hz	95.02	75.0	—	11.83	—	4.576 （6 200 cycles）
	Ag/10%V₂AlC	800 ℃/120 min	400 V/100 A/50 Hz	95~96	80~90	—	2.84	—	3.0 （6 000 cycles）
	Ag/10%Cr₂AlC	800 ℃/120 min	400 V/100 A/50 Hz	95~96	75~80	—	14.19	1 270	88.4 （1 270 cycles）
	Ag/10%Ti₂AlC	800 ℃/120 min	400 V/100 A/50 Hz	95.9±0.6	85.6±2.4	—	7.60	—	7.7±0.9 （6 000 cycles）
	Ag/10%Ti₂AlN	800 ℃/120 min	400 V/100 A/50 Hz	95.2±0.7	75.6±2.5	—	4.53	—	5.8±0.8 （6 000 cycles）
	Ag/10%Ti₃C₂	700 ℃/120 min	400 V/100 A/50 Hz	—	64	32.77	3.0	1 233	54 （1 233 cycles）

表2 不同制备工艺下Ag/MAX/MXene复合材料性能对比

Table 2 Properties comparision of Ag/MAX/MXene composites under different preparation methods

Technique	Objective	Preparation condition	Arc condition	Relative density/%	Hardness/HV	Tensile strength/MPa	Resistivity/ （μΩ·cm）	Cycling life/cycle	Mass loss/%
SPS ［71，80］	Ag/5%Ti₃SiC₂	850 ℃/20 min/50 MPa	400 V/100 A/50 Hz	99.57	69.03	—	2.27		0.476 5 （100 cycles）
	Ag/10%Ti₃SiC₂	850 ℃/20 min/50 MPa	400 V/100 A/50 Hz	99.89	92.17±0.15	—	2.18	6 106	0.536 8 （100 cycles）
	Ag/15%Ti₃SiC₂	850 ℃/20 min/50 MPa	400 V/100 A/50 Hz	99.51	130.97	—	4.46	—	0.644 3 （100 cycles）
	Ag/10%^*Nb₂AlC	700 ℃/30 min/30 MPa	10 kV	99.2	77.4	—	7.46	—	—
HP ［70，81］	Ag/5%^*Ti₃AlC₂	800 ℃/120 min/30 MPa	—	99.90	94.5±0.3	220.0±0.7	2.90±0.01	—	—
	Ag/10%^*Ti₃AlC₂	800 ℃/120 min/30 MPa	—	—	101.5±0.3	246.9±0.7	4.20±0.02	—	—
	Ag/15%^*Ti₃AlC₂	800 ℃/120 min/30 MPa	—	—	112.0±0.3	308.4±0.9	5.26±0.03	—	—
	Ag/20%^*Ti₃AlC₂	800 ℃/120 min/30 MPa	—	—	136.3±0.1	357.3±1.1	7.19±0.04	—	—
	Ag/25%^*Ti₃AlC₂	800 ℃/120 min/30 MPa	—	—	139.7±0.2	317.3±0.9	9.43±0.03	—	—
	Ag/30%^*Ti₃AlC₂	800 ℃/120 min/30 MPa	—	98.5	169.0±0.2	235.5±0.7	10.87	—	—
	Ag/10%^*Ta₂AlC	700 ℃/30 min/30 MPa	10 kV	98.2	—	—	7.09	—	—
	Ag/20%^*Ta₂AlC	700 ℃/30 min/30 MPa	10 kV	96.4	97.4	—	7.69	—	—
	Ag/30%^*Ta₂AlC	700 ℃/30 min/30 MPa	10 kV	94.5	—	—	9.43	—	—
Pressureless sintering ［71⁃72，79，82-86］	Ag/10%Ti₃AlC₂	800 ℃/120 min	400 V/100 A/50 Hz	96.3±0.4	87.3±3.9	—	（6.06±0.4）	—	6.6±0.3 （6 000 cycles）
	Ag/10%Ti₃AlC₂	700 ℃/120 min	400 V/100 A/50 Hz	—	79	145.52	4.2	—	0.82 （3 000 cycles）
	Ag/5%Ti₃SiC₂	950 ℃/60 min	400 V/100 A/50 Hz	95.82	53.02	—	2.35	—	0.546 0 （100 cycles）
	Ag/10%Ti₃SiC₂	800 ℃/120 min	400 V/100 A/50 Hz	95.1±0.4	73.6±4.9	—	（2.71±0.4）	—	3.3±0.2 （6 000 cycles）
	Ag/10%Ti₃SiC₂	950 ℃/60 min	400 V/100 A/50 Hz	94.97	55.63±0.16	—	2.76	2 917	0.593 5 （100 cycles）
	Ag/15%Ti₃SiC₂	950 ℃/60 min	400 V/100 A/50 Hz	92.67	87.70	—	5.98	—	0.720 3 （100 cycles）
	Ag/2%Ti₂SnC	850 ℃/120 min	24 V/20 A/1 Hz	96.87	50.80	161.74	2.96	—	—
	Ag/4%Ti₂SnC	850 ℃/120 min	24 V/20 A/1 Hz	96.14	55.00	137.99	4.52	—	—
	Ag/6%Ti₂SnC	850 ℃/120 min	24 V/20 A/1 Hz	95.40	56.91	123.31	6.15	—	—
	Ag/8%Ti₂SnC	850 ℃/120 min	24 V/20 A/1 Hz	95.06	62.71	107.04	7.81	—	—
	Ag/10%Ti₂SnC	800 ℃/120 min	400 V/100 A/50 Hz	95.02	75.0	—	11.83	—	4.576 （6 200 cycles）
	Ag/10%V₂AlC	800 ℃/120 min	400 V/100 A/50 Hz	95~96	80~90	—	2.84	—	3.0 （6 000 cycles）
	Ag/10%Cr₂AlC	800 ℃/120 min	400 V/100 A/50 Hz	95~96	75~80	—	14.19	1 270	88.4 （1 270 cycles）
	Ag/10%Ti₂AlC	800 ℃/120 min	400 V/100 A/50 Hz	95.9±0.6	85.6±2.4	—	7.60	—	7.7±0.9 （6 000 cycles）
	Ag/10%Ti₂AlN	800 ℃/120 min	400 V/100 A/50 Hz	95.2±0.7	75.6±2.5	—	4.53	—	5.8±0.8 （6 000 cycles）
	Ag/10%Ti₃C₂	700 ℃/120 min	400 V/100 A/50 Hz	—	64	32.77	3.0	1 233	54 （1 233 cycles）

图2 （a）、（b）电弧侵蚀后Ag/xTi3AlC2（x=10， 20）电触头表面微观形貌；（c）、（d）对应触头断面微观形貌；（e）、（f）对应区域的放大视图［87］

Fig.2 （a），（b） Microstructures of Ag/xTi3AlC2（x=10， 20） electrical contacts after arc erosion；（c），（d） cross-sectional microstructures of the corresponding contacts；（e），（f） enlarged views of the corresponding regions［87］

图3 Ag/Ti3AlC2（a）和Ag/Ti3SiC2（b）复合材料的SEM照片及其对应的元素分布图（c）、（d）；Ag/MAX复合材料的相对密度（e）、电阻率（f）和维氏硬度（g）［82］

Fig.3 SEM images of Ag/Ti3AlC2 （a） and Ag/Ti3SiC2 （b） composites and their corresponding elemental distribution maps （c），（d）； relative density （e）， electrical resistivity （f）， and Vickers hardness （g） of Ag/MAX composites［82］

图4 （a）、（b）未球磨Ti3AlC2颗粒的SEM照片；（c）、（d）球磨3 h后Ti3AlC2颗粒的SEM照片；（e）对应的EDS能谱图［91］

Fig.4 （a），（b） SEM images of Ti3AlC2 particles without ball milling；（c），（d） SEM images of Ti3AlC2 particles after 3 h of ball milling；（e） corresponding EDS spectra［91］

图5 烧结态和ECAPed样品的最大压缩应力、应变（a）及电阻率（b）示意图；平行于（c）和垂直于（d）接触表面的Ti3AlC2排列在ECAPed Ag/Ti3AlC2中的示意图［92］

Fig.5 Maximum compressive stress， strain （a） and electrical resistivity （b） of the sintered and ECAPed samples； schematic illustrations of Ti3AlC2 alignment parallel （c） and perpendicular （d） to the contact surface in the ECAPed Ag/ Ti3AlC2 composite， respectively［92］

图6 （a）不同烧结温度下Ag/Ti3AlC2的XRD图谱；烧结温度为850（b）、800（c）和750 ℃（d）时Ag/Ti3AlC2的界面结构；（e）、（f）过饱和Ag（Al）固溶体的明场TEM照片及相应SAED图案［94］

Fig.6 （a） XRD patterns of Ag/Ti3AlC2 sintered at different temperatures； interfacial structures of Ag/Ti3AlC2 sintered at 850 （b）， 800 （c）， and 750 ℃ （d）， respectively；（e），（f） bright-field TEM images of the supersaturated Ag（Al） solid solution and the corresponding SAED patterns［94］

图7 （a）未蚀刻Ti3AlC2和x h-Ti3AlC2样品的XRD图谱；（b）~（d）三个样品的结构示意图；（e）~（g）对应的EDS线扫描［97］

Fig.7 （a） XRD patterns of unetched Ti3AlC2 and x h-Ti3AlC2 samples；（b）~（d） schematic representations of the structures of the three samples；（e）~（g） corresponding EDS line scans［97］

图8 （a）~（d）随着放电循环次数10、100、1 000和6 200个循环，Ag/Ti3AlC2的微观结构演变［73］。电弧侵蚀后Ag/Ti3AlC2复合材料表面典型Ag形貌及其形成机制示意：（e）纳米颗粒；（f）一维晶须；（g）二维片状；（h）三维球状；（i）电弧作用下Ag基体的组织演变过程［98］

Fig.8 （a）~（d） Microstructural evolution of Ag/Ti3AlC2 with increasing discharge cycles of 10， 100， 1 000， and 6 200［73］. Typical Ag morphologies on the surface of Ag/Ti3AlC2 composite after arc erosion and corresponding formation mechanism：（e） nanoparticles；（f） 1D whiskers；（g） 2D flakes；（h） 3D spheres；（i） schematic of microstructural evolution of Ag matrix under arc discharge［98］

图9 （a）~（f）Ag/Ti3AlC2复合材料的抗电弧侵蚀机制［73］；（g）、（h）Ag（111）/Ti2SnC（001）不同界面的局部态密度（PDOS）分布，分别对应Ag/C、Ag/Ti界面；（i）不同Ag与Ti2SnC晶面体系的功函数［83］

Fig.9 （a）~（f） Arc erosion resistance mechanism of Ag/Ti3AlC2 composites［73］；（g），（h） partial density of states （PDOS） distributions of different Ag（111）/Ti2SnC（001） interfaces corresponding to Ag/C and Ag/Ti interfaces， respectively；（i） work functions of various Ag/Ti2SnC crystal plane systems［83］

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