纳米核壳结构构筑高强高导铜基复合材料

The application of immiscible Cu-Cr alloys in the field of high-capacity contactor is limited by elemental segregation and large second phase. In this project, a copper based composite with dual properties of high strength and high conductivity is designed and prepared by vacuum arc melting and hot pressing process. A novel core-shell structure is proposed to suppress the grain coarsening. The precision building of core-shell structure, including the control of purity, microstructure and scale, is ensured by a careful composition design, fast cooling, grain fragmentation, and grapheme coating technology, thus evading the difficulty of second phase control. The physical mechanisms of interfacial reaction, grain refinement, thermodynamics and kinetics for heterogeneous nucleation are elucidated, as well as the influence of core-shell structure, scale and particle spacing on the mechanical and physical properties of composite materials. The relationship among fabrication processing, microstructure, mechanical and physical properties is established to develop a new technological path for preparing a new class of Cu-Cr alloys with high strength, high conductivity and anti arc erosion.

针对中高压大容量电触头用难混溶铜铬合金中存在的第二相粗大、偏聚等限制其广泛应用的瓶颈问题，本项目提出“构筑纳米尺度核壳结构”的微观组织设计思路，以抑制材料制备过程中的粗化和偏聚现象。利用真空电弧熔炼工艺和热压工艺设计制备具有高强、高传导性的弥散强化铜基复合材料，并通过调控成分设计、快冷细晶、球磨碎化及石墨烯包覆等工艺参数实现纳米核壳第二相的纯度、结构和尺度的精准构筑，进而从材料成分设计角度解决难混溶合金中第二相控制的科学问题。揭示复合化过程中核壳结构的界面反应机制、非均质形核的热力学和动力学机制，探索核壳结构、尺度和颗粒间距对复合材料力学性能和物理性能的影响规律，明确材料制备工艺-微观组织结构-宏观力学性能和物理性能的内在作用机制，获得高强、高传导性及抗电弧侵蚀等良好综合性能复合材料的技术路径，开发出高性能铜铬复合材料制备新工艺。

本项目针对中高压大容量电触头用难混溶铜铬合金中存在的第二相粗大、偏聚等限制其广泛应用的瓶颈问题，提出“构筑纳米尺度核壳结构”的微观组织设计思路，探索了多种包覆工艺对核壳结构的控制和影响，最终确定了最优的包覆工艺为表面自聚合包覆法。.将自聚合法制备的Cr@Gr（石墨烯）粉末引入CuCr合金中，引入石墨烯纳米相作为非均质形核质点细化第二相，且核壳结构抑制铬的凝并和生长。通过真空电弧熔炼和热压烧结制备了Gr/CuCr25复合材料和Gr/CuCr10复合材料，系统研究了核壳结构制备工艺、混粉工艺和成型工艺等对Cr@Gr核壳结构特征和界面反应机制、第二相铬的形貌、尺寸和分布和复合材料电接触主要的性能指标，且与国家标准进行对比讨论了实际应用的可行性。深入探究了Cr/Gr/Cu界面形成机制和核壳结构、非均质形核对第二相细化的影响机制，揭示了核壳结构对CuCr合金力学和物理性能的影响机制。基于上述真空电弧熔炼和真空热压技术制备的复合材料，第二相铬细化了20%-50%，硬度、电导率、热导率和抗电弧侵蚀等综合性能大幅提升，均高于国家标准，电触头寿命可大大提升，且铬使用量估算可以减少10-30%。本项目研究通过纳米核壳结构设计解决难混熔合金第二相粗大和偏聚等本领域科学问题，对促进难混溶合金的实际工程应用具有科学意义和工程意义。.本项目研究成果已获授权8项技术发明专利，美国国家专利申请2项，实审中；3项石墨烯/铜合金技术发明专利实现成果转化；第一作者和通讯作者发表SCI论文15篇论文，其中中国卓越期刊2篇； 作为编委，出版石墨烯材料相关学术专著2部；同时作为主起草人，已制定和发布团体标准2项；担任2019-2022年担任国际会议分会主席，参加国际国内学术会议7次，20人次；作为主要成员获得山东省电子协会科技进步二等奖1项，技术发明一等奖1项；获得2020年获得昆山市创新创业人才和2021年获得泉城产业领军人才。