Design and characterisation of Ni-matrix nanocomposite films reinforced with Ag-coated SnO2 nanowires for electrical contact applications

Abstract

This work introduces a novel composite film, which was developed to be applied as electrode material in electrical-contact devices. It consists of a Ni matrix reinforced with Ag-coated SnO2 nanowires, whose processing combines different techniques, namely chemical vapour deposition (SnO2), electroless (Ag) and electrodeposition (Ni). The composite was investigated regarding its microstructure, mechanical properties, tribological behaviour, thermal stability and electrical resistivity. The microstructure analysis suggested that the secondary phases act as barrier for grain-boundary migration, promoting a fine grain morphology in the matrix. This was responsible for an overall increase in hardness and strength with respect to Ni reference samples, in agreement with the Hall-Petch relation. Consequently, the evaluation of friction and wear under dry-sliding conditions proved an enhanced wear resistance. The study of thermal stability on annealed samples revealed a limited grain growth and the absence of texture development, which derived from the combined effects of reduced grain-boundary mobility and non-miscibility of the phases. Finally, the analysis of electrical resistivity measurements showed that the insulating effect of the nanowires and microstructural defects is balanced by the highly conductive Ag phase.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer neuartigen Komposit-Schicht, die als Elektrodenmaterial für elektrische Kontaktgeräten entwickelt wurde. Diese besteht aus einer mit Ag-beschichteten SnO2-Nanodrähten verstärkten Ni-Matrix. Zur Herstellung dieses Komposits wurde eine Kombination von verschiedenen Verfahren genutzt, d.h., chemische Gasphasenabscheidung (SnO2), Stromlos (Ag) und galvanische Abscheidung (Ni). Der Verbundwerkstoff wurde hinsichtlich Mikrostruktur, mechanischen Eigenschaften, tribologischem Verhalten, thermischer Stabilität sowie elektrischem Widerstand charakterisiert. Die Mikrostrukturanalyse belegte, dass die sekundären Phasen als Barriere für Korngrenzenmigration wirken, wobei diese eine feine Kornmorphologie in der Matrix hervorrufen. Dies führte, übereinstimmend mit der Hall-Petch Beziehung, zu einer Erhöhung der Härte und Festigkeit im Vergleich zu den Ni-Referenzproben. Infolgedessen, konnte ein erhöhter Verschleißwiderstand unter trockenen Reibbedingungen nachgewiesen werden. Die Untersuchung der thermischen Stabilität von geglühten Proben zeigte ein verringertes Kornwachstum sowie keine Texturentwicklung. Dies lässt sich auf die verringerte Korngrenzmobilität und die Unmischbarkeit der Phasen zurückführen. Abschließend konnte aus elektrischen Widerstandsmessungen gefolgert werden, dass der isolierende Effekt der Nanodrähte und der mikrostrukturellen Defekte von der hochleitenden Ag-Phase ausgeglichen wird.