直流开关用电触头在反复通断工作中会受到电弧引发的热冲击、材料转移问题影响，接触电阻也会快速升高，进而造成触头失效；传统银基触头导电性优异，但耐电弧侵蚀能力不足且成本偏高。MAX 相材料 Cr₂AlC 兼具金属导电性与陶瓷的刚度、热稳定性，是理想的触头表层候选材料，但其导电性能难以满足触头严苛使用要求，反复电弧加热还会使其出现分解、开裂与局部侵蚀等问题。现有研究多聚焦银 / MAX 相块体复合材料，而针对实际连接器与开关元件所需的涂层体系相关研究仍较为欠缺。
来自宁波大学和宁波材料所汪爱英研究员等的研究人员制备银掺杂 Cr₂AlC MAX 相涂层，将其作为适用于严苛直流开关工况的耐弧导电表层，探究银元素对涂层微观结构、电弧侵蚀性能的影响，明确涂层的失效机制与作用原理，为 MAX 相基电触头涂层设计提供新思路。相关成果于 2026 年 5 月 22 日以 “Ag-doped Cr₂AlC coatings with enhanced arc suppression and durability” 为题发表在《Journal of Materials Science & Technology》。
样品制备：研究采用复合阴极电弧 - 磁控溅射系统，在镍基合金基体上分别制备纯 Cr₂AlC 涂层与银掺杂量为 3.69 at.% 的 Ag-Cr₂AlC 涂层，沉积选用 Cr 阴极电弧靶与 AlAg 合金磁控溅射靶，通入 Ar/CH₄混合反应气体并施加脉冲直流负偏压，总沉积时长为 3 h；沉积完成后将样品置于管式炉中进行真空退火，以 10 °C min⁻¹ 的速率升温至 700 °C 并保温 2 h，随后随炉冷却，最终两种涂层厚度均约为 6.9 μm。
图 1.(a) 复合阴极电弧 - 磁控溅射设备示意图 (b) 后续真空退火工艺示意图
图 2.(a) Cr₂AlC 涂层与 (b) Ag-Cr₂AlC 涂层的表面及截面形貌 (c) Cr₂AlC 涂层和 Ag-Cr₂AlC 涂层的 X 射线衍射图谱
图 3.Cr₂AlC 涂层的透射电子显微镜图像：(a) 明场图像 (b) 暗场图像 (c) 典型晶粒的明场图像 (d) 高分辨透射电子显微镜图像与选区电子衍射图案
图 9.(a) Ag-Cr₂AlC 涂层电弧侵蚀后的截面整体形貌 (b) 侵蚀中心区域截面形貌 (c) 侵蚀过渡区域截面形貌 (d) 侵蚀边缘区域截面形貌
图 10.(a) Cr₂AlC 涂层的电弧侵蚀机理示意图 (b) Ag-Cr₂AlC 涂层的电弧侵蚀机理示意图
该研究表明，掺杂 3.69 at.% 的 Ag 可将 Cr₂AlC 涂层的微观结构转变为板条状，并在晶界处形成连续富银网络，构建导电通路；在 24 V/3 A 直流通断 1500 次的测试中，纯 Cr₂AlC 涂层接触电阻波动剧烈，约 900 次循环后性能快速劣化，燃弧时间与电弧能量大幅上升，而 Ag-Cr₂AlC 涂层的各项电弧相关指标始终保持稳定；电弧作用下，涂层内的 Ag 会发生迁移并与阳极转移的 Cu 形成流动性良好的 Cu-Ag 合金覆层，该覆层可排挤绝缘产物、构建低电阻导电通道、抑制裂纹扩展，让涂层的失效模式从灾难性脆性断裂转变为可控的消耗式退化，打破了接触电阻、焦耳热与电弧持续存在之间的恶性循环，有效延长了直流触头的使用寿命。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.05.030
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