石墨烯/铜钨复合材料的制备及其性能研究

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随着经济持续高速发展,用电量不断增大,这就使高压断路器向特高压、大容量方向发展,并且需要高压断路器频繁操作来满足无功调节,这就需要断路器核心部件电触头材料具有优异耐磨性、导电性、抗熔焊性、抗电弧侵蚀性等,铜钨复合材料以其优异的耐磨损性能和耐烧蚀性能,广泛应用于高压断路器中,但现役的铜钨复合材料已不能满足实际工程全寿命周期内免维护的要求,其主要原因是,在断路器断开和闭合过程中电触头之间的机械磨损,以及断开时产生的电弧对电触头的烧蚀。因此提高电触头复合材料的耐机械磨损性能和耐电弧侵蚀性能,是目前急需解决的问题。在此背景下,本文通过对铜钨复合材料(CuW80)的性能进行优化,在保持其导电率等其它性能不变的情况下,提高其耐磨损性能和耐电弧烧蚀性能。石墨烯因其优异的力学、热学和电学性能,以及特殊片层结构,表现出优异的自润滑性,使其成为了一种热门的增强体材料,增强复合材料的耐磨损性能和导热性能。这些研究为我们提供了思路:利用石墨烯的优异性能,引进入铜钨复合材料中,提高铜钨复合材料的的耐磨损性能和耐电弧烧蚀性能。但是石墨烯之间存在很强的范德华力,使石墨烯在和铜粉一起时,极易发生团聚,很难做到均匀分散,现有的球磨、分子级混合的方法虽然在一定程度提高了石墨烯的分散,但是会导致石墨烯的损坏,限制了石墨烯的优异特性。为了解决此问题,本文通过使用隔离剂对铜粉进行分散,通过CVD在铜粉表面原位生长高质量石墨烯,高质量石墨烯覆盖在铜粉外表,解决了石墨烯很难均匀分散和质量差的问题。生长石墨烯以后,以CuW80为标准,采用高温液相烧结的方式,进行制备铜钨复合材料,测试结果表明石墨烯的添加,导电率基本和未加石墨烯的CuW80相同,但明显提高了复合材料的摩擦磨损性能。在导电率方面,CuW80的导电率为42.15%IACS,Gr/CuW80的导电率为42.27%IACS,均满足了国家标准的要求。在耐磨损性能方面,CuW80的摩擦系数约为0.9,Gr/CuW80的摩擦系数约为0.75,摩擦系数降低了0.15,降低了16.7%,在耐磨损方面,CuW80和Gr/CuW80的磨损率分别是为3.53(10-6mm3/(N?m))和2.66(10-6mm3/(N?m)),相对降低了24.6%,相比商业应用的CuW80,磨损率仍降低了26.9%,表明石墨烯的添加,明显提高了复合材料的耐磨性能。在耐电弧侵蚀性能方面,Gr/CuW80的损失质量为3.41mg,CuW80的损失质量为5.55 mg,损失质量减少了2.14 mg,表明石墨烯添加在CuW80中,提高了复合材料的耐磨损性能。与商业应用的CuW80,损失质量也降低了1.79 mg。
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