石墨烯增强银基新型电接触材料的强化机理及其耐电弧侵蚀机制研究

With the development of high temperature, high speed, high torque and low noise, micro-motor put forward a higher requirement to thermostability, wear resistance and arc erosion for carbon-reinforced silver based electrical contact materials which usually used in brushes and commutator. It is imperative to develop new materials. The project takes new graphene reinforced silver based electrical contact material as a research object which fabricated by ultrasonic dispersion-ball milling and slurrying-vacuum drying-forward hot extrusion method. Based on the Cox shear-lag model and Hall-Petch empirical formula, the new modified strengthening formula will be established to predict the mechanical properties of new material. At the same time, the finite element model of multi-physical field of heat, electricity and force during electrical contact process will be established to analyze electrical contact behavior and visually describe the distribution and evolution law of temperature, current, stress of the contact by the combination of numerical simulation and experiment. The research results can provide a theoretical basis for the preparation and application of new silver-based electrical contact material.

随着微电机向高温、高速、高扭矩及低噪音方向发展，对用于制作电刷和换向器的碳质相增强银基电接触材料提出了更高的热稳定性、耐磨、抗电弧侵蚀等性能要求，研发新材料势在必行。项目采用超声分散-球磨制浆-真空干燥-正向热挤压新方法制备出石墨烯增强银基新型电接触材料为研究载体，以Cox剪切滞后模型和Hall-Petch经验公式为基础，构建修正的强化公式对新材料力学性能进行预测；同时，采用数值模拟与实验相结合的方法分析新材料的电接触行为，构建新材料瞬时热、电、力多场耦合作用下的有限元模型，用于直观描述触头电接触过程温度、电流、应力分布和演化规律。研究结果可为新型银基电接触材料的研发与应用奠定理论基础。

为满足实际应用中对银基电接触材料综合性能和稳定性提出的更高要求，采用石墨烯替代石墨，利用石墨烯独具的结构特性和优异物理性能来提高银基电接触材料的强度和抗电弧侵蚀性，项目从材料组成体系上进行创新，采用球磨混粉、冷等静压和真空烧结的新工艺制备了新型银石墨烯电接触材料。银-石墨烯粉末的压制数据符合川北公夫方程。致密化系数(K)值随石墨烯含量的增加而增大，表明复合粉末抗塑性变形能力增大。银-0.5wt.%石墨烯电接触材料具有最佳的烧结性能，烧结系数为0.72。石墨烯含量1.5wt.%的电接触材料具有较好增强效果的力学性能，其屈服强度为193.3MPa。石墨烯含量0.2wt.%的复合材料具有最低的电阻率1.72μΩ•cm，略高于相同工艺制备的纯银的电阻率1.70μΩ•cm。石墨烯和银基体之间存在宽度约5nm的界面过渡区，过渡区由银原子和碳原子相互扩散嵌入形成，石墨烯和银基体之间界面结合良好。高含量的石墨烯更容易团聚和降低银石墨烯材料的电接触性能，特别是当材料中石墨烯含量超过1.5wt.%。石墨烯含量为1.5wt.%的电接触复合材料具有最佳的抗电弧侵蚀性能，DC25/15A条件下电弧侵蚀后其质量损耗最低、侵蚀坑最浅。建立银石墨烯电接触材料修正强化公式，最大计算误差小于9.5%。采用数值模拟与实验相结合的方法，通过ANSYS软件构建了表征新材料电接触区域瞬时多场耦合的有限元模型。项目研究结果可对新型银基电接触材料的制备与应用提供理论依据和实验指导。