Харбинский технологический институт, Харбин, Китай

Бин Тянь Ли, аспирант, научный сотрудник школы материаловедения и инженерии, эл. почта: bin_tian_li@hit.edu.cn
Цзы Яо Чень, профессор школы материаловедения и инженерии, докт. техн. наук, эл. почта: zy_chen@hit.edu.cn
Вэнь Чжу Шао*, заведующий кафедрой, ведущий исследователь ведущей национальной лаборатории прецизионной горячей обработки металлов, школа материаловедения и инженерии, докт. техн. наук, эл. почта: wz_shao@hit.edu.cn

Колледж ядерного оборудования и ядерной инженерии Университета Яньтай, Яньтай, Китай

Вэй Цзянь Ли*, преподаватель, канд. техн. наук, эл. почта: wj_li@ytu.edu.cn

*Ответственные авторы.

Исследовано влияние легирования лантаном (La) на процессы окисления меди (Cu) при воздействии высоких температур, что играет ключевую роль в обеспечении надежности контактных материалов, используемых в низковольтных электрических устройствах. Важность темы заключается в том, что несмотря на хорошие электрические и тепловые свойства меди, ее низкая устойчивость к окислению при высоких температурах негативно сказывается на эксплуатационных качествах, приводя к образованию оксидного слоя с высоким сопротивлением и к ухудшению рабочих характеристик устройств. Проведено комплексное исследование с использованием методов теоретического моделирования и расчетов из первых принципов (от лат. ab initio – с самого начала), позволяющих детально изучить внутреннюю природу окисления сплава Cu – La и определить физические механизмы, лежащие в основе его повышенной коррозионной стойкости. Основное внимание уделено анализу электронной структуры, поверхностной активности и кинетики диффузии кислорода в рассматриваемом материале. Одним из ключевых открытий стало установление роли продуктов окисления La₂O₃ и La₂CuO₄, которые формируют защитные слои, препятствуя проникновению кислорода вглубь материала и обеспечивая замедление последующего окисления. Подтверждено, что добавки лантана уменьшают эффективную диффузию кислорода, создавая дополнительные барьеры для его миграции и, следовательно, повышая долговечность медных компонентов. Выводы исследования важны для развития инновационных подходов к разработке контактных материалов с повышенным сроком службы, способных функционировать в сложных климатических и производственных условиях. Полученные результаты будут полезны как для научного сообщества, занимающегося вопросами физической химии материалов, так и для инженеров-практиков, работающих над совершенствованием конструкций низковольтных аппаратов и электрических контактов разного назначения.

Перевод на русский выполнили ассистент ВШ ЛМК, магистрант 2-го курса гр. ЛМК(м)-31 Егоруш-
кина Кристина Владимировна и магистрант 2-го курса гр. ЛМК(м)-31 Синицына Эльвира Эльбрусовна.

1. Wang J., Haidong Zhao, Junbo Wang, Yanli Chang et al. Effect of CuO additives on the formation of SnO₂-rich layers in Ag-SnO2 materials. Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 770. pp. 920–925.
2. Canhui Xu, Danqing Yi, Chunping Wu, Li W. Z. et al. Microstructures and properties of silver-based contact material fabricated by hot extrusion of internal oxidized Ag – Sn – Sb alloy powders. Materials Science and Engineering A. 2012. Vol. 538. pp. 202–209.
3. Guzmán D. et al. Fabrication and arc erosion behavior of Ag – SnO₂ – ZnO electrical contact materials. Materials. 2023. Vol. 16, Iss. 10. 3618.
4. Ćosović V., Ćosović A., Talijan N. et al. Improving dispersion of SnO₂ nanoparticles in Ag – SnO₂ electrical contact materials using template method. Journal of Alloys and Compounds. 2013. Vol. 567. pp. 33–39.
5. Li W. J. et al. Metallic electrical contact materials: DFT calculations, wetting mechanism and arc resistance. Materials Today Physics. 2024. Vol. 40. 101333.
6. Filippov A. V. et al. Characterization of gradient CuAl – B₄C composites additively manufactured using a combination of wire-feed and powder-bed electron beam deposition methods. Journal of Alloys and Compounds. 2021. Vol. 859. 157824.
7. Deng C. et al. Carbon fiber/copper mesh reinforced carbon composite for sliding contact material. Materials Research Express. 2017. Vol. 4, Iss. 2. 025602.
8. Lu J. R., Yang Zhou, Y. Zheng et al. Interface structure and wetting behaviour of Cu/Ti₃SiC₂ System. Advances in Applied Ceramics. 2015. Vol. 114, Iss. 1. pp. 39–44.
9. Yang Z., Xu J. J., Yuhai Qian et al. Electrical conductivities and mechanical properties of Ti₃SiC₂ reinforced Cu-based composites prepared by cold spray. Journal of Alloys and Compounds. 2023. Vol. 946. 169473.

10. Yan Y. F. et al. Ceramic particles-reinforced copper matrix composites manufactured by advanced powder metallurgy: preparation, performance, and mechanisms. International Journal of Extreme Manufacturing. 2023. Vol. 5, Iss. 3. 032006.
11. Xie H., Tungwai Leo Ngai, Peng Zhang et al. Erosion of Cu – Ti₃SiC₂ composite under vacuum arc. Vacuum. 2015. Vol. 114. pp. 26–32.
12. Zhang P. et al. Arc erosion behavior of Cu – Ti₃SiC₂ cathode and anode. Vacuum. 2017. Vol. 141. pp. 235–242.
13. Li W. J. et al. Metallic electrical contact materials: DFT calculations, wetting mechanism and arc resistance. Materials Today Physics. 2024. Vol. 40. 101333.
14. Chen Z. Y. et al. Suppressing the agglomeration of ZnO nanoparticles in air by doping with lower electronegativity metallic ions: implications for Ag/ZnO electrical contact composites. ACS Applied Nano Materials. 2022. Vol. 5, Iss. 8. pp. 0809–10817.
15. Feng L. C. et al. Thermal conductivity determination of conductor/insulator composites by fractal: geometrical tortuosity and percolation. Composites Part B: Engineering. 2016. Vol. 92. pp. 377–383.
16. Li W. J., Ziyao Chen, Hao Jiang et al. Effects of interfacial wettability on arc erosion behavior of Zn₂SnO₄/Cu electrical contacts. Journal of Materials Science & Technology. 2021. Vol. 109. pp. 64–75.
17. Li W. J. et al. Air arc erosion behavior of CuZr/Zn₂SnO₄ electrical contact materials. Journal of Alloys and Compounds. 2018. Vol. 743. pp. 697–706.
18. Li W. J., Lu Zhang, Ziyao Chen et al. In situ fabrication and static contact resistance of CdMoO4 reinforced Cu matrix composites. Materials. 2022. Vol. 15, Iss. 20. 7206.
19. Zhen Mu, Haoran Geng, Meng-Meng Li et al. Effects of Y2O3 on the property of copper based contact materials. Composites Part B: Engineering. 2013. Vol. 52. pp. 51–55.
20. Yu Xiaowen, Shijun Shen, Bin Jiang et al. The effect of the existing state of Y on high temperature oxidation properties of magnesium alloys. Applied Surface Science. 2016. Vol. 370. pp. 357–363.
21. Zhao S. et al. The oxidation resistance and ignition temperature of AZ31 magnesium alloy with additions of La₂O₃ and La. Corrosion Science. 2013. Vol. 67. pp. 75–81.
22. Meng J., Ji Z. Effect of La₂O₃/CeO₂ particle size on high-temperature oxidation resistance of electrodeposited Ni – La₂O₃ /CeO₂ composites. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014. Vol. 24, Iss. 11. pp. 3571– 3577.
23. Li H. Y. et al. Effect of La on arc erosion behaviors and oxidation resistance of Cu аlloys. Transactions of Nonferrous Metal Society. 2017. Vol. 27. pp. 102–109.
24. Xing H. et al. Adsorption and diffusion of oxygen on metal surfaces studied by first-principle study: A review. Journal of Materials Science & Technology. 2021. Vol. 62. pp. 180–194.
25. Kroes G. J. Computational approaches to dissociative chemisorption on metals: towards chemical accuracy. Physical Chemistry Chemical Physics. 2021. Vol. 23, Iss. 15. pp. 8962–9048.
26. Xing H. et al. Adsorption and diffusion of oxygen on metal surfaces studied by first-principle study: A review. Journal of Materials Science & Technology. 2021. Vol. 62. pp. 180–194.
27. Xing B. et al. Co-adsorption of H2 + nCO + mO₂ on α-Fe (110): Effect on hydrogen adsorption, dissociation and diffusion. International Journal of Hydrogen Energy. 2024. Vol. 54. pp. 729–739.
28. Wang W., Dongpeng Hua, Qing Zhou et al. Effect of a water film on the material removal behavior of Invar during chemical mechanical polishing. Applied Surface Science. 2023. Vol. 616, Iss. 11. 156490.
29. Xing H., Ping Hu, Shilei Li, Yegai Zuo et al. Adsorption and diffusion of oxygen on metal surfaces studied by first principle study: A Review. Journal of Materials Science & Technology. 2021. Vol. 62. pp. 180–194.
30. Erikat I. A., Hamad B., Khalifeh J. M. et al. Density functional study on adsorption and dissociation of O₂ on Ir (100) surface. Chemical Physics. 2011. Vol. 385, Iss. 1–3. pp. 35–40.
31. Lian X. et al. Calculations of oxide formation on low-index cu surfaces. The Journal of Chemical Physics. 2016. Vol. 145, Iss. 4. 044711.
32. Chatenet M. et al. Water electrolysis: from textbook knowledge to the latest scientific strategies and industrial developments. Chemical Society Reviews. 2022. Vol. 51, Iss. 11. pp. 4583–4762.
33. Zhu T. T. et al. High-throughput screening strategy for electrocatalysts for selective catalytic oxidation of formaldehyde to formic acid. The Journal of Physical Chemistry Letters. 2024. Vol. 15, Iss. 23. pp. 6183–6189.
34. Togo A., Chaput L., Tadano T., Tanaka I. et al. Implementation strategies in phonopy and phono3py. Journal of Physics: Condensed Matter. 2023. Vol. 35, Iss. 35. 353001.
35. Neese F. Software update: The ORCA program system – Version 5.0. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science. 2022. Vol. 12, Iss. 5. e1606.
36. Uwanyuze R. S. et al. A first principles analysis of oxidation in titanium alloys with aluminum and vanadium. Surface Science. 2022. Vol. 719. 122026.
37. Puthiyaparambath M. F., Samuel J. E., Chatanathodi R. Tailoring surface morphology on anatase TiO 2 supported Au nanoclusters: implications for O₂ activation. Nanoscale Advances. 2024. Vol. 6, Iss. 23. pp. 5897–5908.
38. Wang C., Li M., Zhou C. Insight into the effect of Ge modification on the oxidation of NbSi2 from first-principles calculations. Progress in Natural Science: Materials International. 2021. Vol. 31, Iss. 4. pp. 618–623.
39. Goswami A., Pillai S. C., McGranaghan G. Surface modifications to enhance dropwise condensation. Surfaces and Interfaces. 2021. Vol. 25. 101143.
40. Kozakiewicz-Latała M. et al. Binder jetting 3D printing of challenging medicines: from low dose tablets to hydrophobic molecules. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 2022. Vol. 170. pp. 144–159.
41. Bibi F., Soomro I. A., Hanan A., Zhang K. et al. Advances in 2D/2D MXenes-based heterostructures for energy storage/conversion applications. Journal of Materials Science & Technology. 2024. Vol. 202, Iss. 6. DOI: 10.1016/j.jmst.2024.03.005
42. Tian H., Dominique Schryvers, Di Liu, Qing Jiang et al. Stability of Ni in nitinol oxide surface. Acta Biomaterialia. 2011. Vol. 7. pp. 892–899.
43. Hossain M. K. et al. An extensive study on multiple ETL and HTL layers to design and simulation of high-performance lead-free CsSnCl3-based perovskite solar cells. Scientific Reports. 2023. Vol. 13, Iss. 1. 2521.
44. Sanchez J. et al. Ab initio molecular dynamics simulation of hydrogen diffusion in alpha-iron. Physical Review B. 2010. Vol. 81. 132102.
45. Murphy-Armando F., Brehm M., Steindl P., Lusk M. T., Fromherz Т., Schwarz K., Blaha P. Light emission from direct band gap germanium containing split-interstitial defects. Physical Review B. 2021. Vol. 103, Iss. 8. 085310.
46. Yu H. et al. Hydrogen embrittlement as a conspicuous material challenge – comprehensive review and future directions. Chemical Reviews. 2024. Vol. 124, Iss. 10. pp. 6271–6392.
47. Li G. F. et al. Microcosmic mechanism of carbon influencing on NiTiNb9 alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2012. Vol. 542. pp. 170–176.