论文新型石墨烯增强铜基复合电触头材料研发进展，本文是关于石墨烯方面硕士论文范文和石墨和触头和研发相关毕业论文怎么写.
一、电触头材料
触头材料在断路器中的功能是在电路中接通和断开电流.对高压断路器而言,理想的触头材料必须具有良好的导电、导热性及耐电弧烧损、抗熔焊、小的电磨损、低而稳定的接触电阻、不与使用介质起化学变化、有一定的强度和易于机械加工等特性.早期的触头材料多采用纯钨（W）、纯钼、纯铜（C u）及贵金属银.随着电网电压等级的逐年提高,对触头材料的要求越来越高,单一的纯金属已不能满足使用要求,复合材料触头应运而生,主要是以银、铜为基体的复合材料,包括铜钨（C uW）、银氧化镉、银钨、银镍、银石墨、铜铬等系列.目前,国内外高压断路器用触头材料主要为铜钨合金体系材料,典型的断路器C uW合金弧触头如图1所示.
新型电触头材料广泛地应用于航空航天和军事工业中.随着高压输变电网向大容量、超高压的发展,对高压断路器电触头材料提出愈来愈高的性能要求和较长的使用寿命要求,亟待进一步提升CuW合金触头材料的综合性能.
目前高压断路器使用的触头材料主要为铜钨复合材料,而我国C uW电触头材料研究起步较晚,经过几十年的发展,各国科研人员对铜钨复合材料的制备方法及制备工艺进行了大量研究.
由于钨和铜的晶体结构不同,2者物理化学性能相差极大,表1所示为金属钨和铜的主要物理性能.可以看出,钨和铜的密度、传统的铜钨复合材料生产方法主要有高温液相烧结法、液相活化烧结法和熔渗烧结法.
二、传统铜钨合金材料技术发展现状
1. 高温液相烧结
由于钨和铜的熔点相差很大,采用高温液相烧结的方法制备铜钨复合材料,即在高于金属铜熔点W上的温度进行液相烧结,使金属铜的液相充分流动并填充合金中的孔隙使其致密化.图2是铜钨复合材料液相烧结时固体和液体互联结构模型示意图.这种情况下,固体和液体在相互接触的颗粒边缘形成14面体的结构形式,从而使材料致密化.此外,液相烧结的另一个不足是高温下C u液相会从W骨架中溢出,引起成分偏析,很难保证W材料尺寸和成分的稳定性.
2. 液相活化烧结
液相活化烧结是基于钨的活化烧结,在提高复合材料致密度方面有巨大优势.目前研究较多的添加剂有镍（Ni）、钴（Co）、铁（Fe）、钯（Pd）等.
艾特在1953年发现添加N i能使钨粉烧结活化,1959年瓦西克研究了添加少量Ni、Co、Fe在1 000 ～1 300℃进行钨的活化烧结,可实现致密化.在铜钨复合材料的活化烧结中,C o和F e在C u中溶解度有限,可与钨颗粒在烧结中形成稳定的金属间化合物,活化效果较好,促进了烧结过程中的重排列作用和扩散作用,能明显提高铜复合材料的致密度.而N i和P d较多的溶解于C u,与铜形成固溶体,活化效果不明显.尽管添加剂的加入能有效改善钨的致密化程度,但骨架时添加量会影响复合材料的热导率和电导率,不适于制备热控、电控用的铜钨复合材料.
我国在20世纪五六十年代也对铜基、铁基、铅基等硬质合金及零件的活化烧结工作开展了研究.对超高压CuW/ C u Cr整体电触头材料制备进行了研究,研究了添加元素对C u /W间润湿性和相界面结合特性的影响,结果表明C u中添加少量的C r、N i、Fe等元素,使Cu /W界面发生一定的相互溶解与反应,形成界面过渡层,降低了固/液界面能.P i n g a nC h e n等开展了添加Z n活化烧结铜钨复合材料的研究,结果显示添加Z n含量在14%（质量分数）时,铜钨复合材料的最大抗弯强度达到960M P a,几乎是没有添加活化元素的2倍,此外,通过添加Z n活化烧结C u复合材料具有高的相对密度,较好的热导率〔198.5W /（m·K）〕和电导率（1.44× l06/Ωm）,且热膨胀系数有所降低（由9.58× l0-6/ K降至8.75×l0-6/K）.
3. 熔渗烧结
在粉末冶金零件生产中,将粉末逐块与液体金属接触或浸在液体金属中,让块内孔隙为金属液填充,冷却下来就得到致密材料或零件,这种工艺称为熔渗（熔浸）.熔渗烧结是用熔点比制品熔点低的金属或合金在炼熔状态下充填未烧结的或烧结的制品内的孔隙的工艺方法.熔渗机理本质上它是液相烧结的一种特殊情况.该方法在生产电触头材料（如Cu-W、Ag-W）,F e - C u机械零件及金属陶瓷等方面得到广泛应用.
吴文安等[1]报道了氢气（H2）气氛熔渗C uW触头材料性能的研究,结果显示H2气氛熔渗C uW触头材料具有良好的物理机械性能,符合G B / T8320的要求.此外,吴文安等从理论上推导了熔渗法C uW触头材料W骨架压逐密度的计算公式和C uW合金化学成分与W骨架压逐密度的关系公式,并提出了W骨架压巧密度的控制范围,经过与实验结果对比,具有较好的一致性.黄友庭等[2]报道了熔渗烧结法制备铜钨合金的性能研究,结果表明试样边缘硬度比其他部位硬度低,且铜组织占合金组织的比例从外部至边缘呈下降趋势.林丽璀开展了铜钨复合材料的熔渗法制备工艺、组织形貌及性能研究,采用蓝钨造孔烧结钨骨架渗铜法制备了铜钨复合材料,该方法制备的W -25C U复合材料致密度大于99%,计算可得其热导率为231 W /（m·K）.王妮等[3]对C u W假合金的熔渗过程进行了数值分析与模拟,可对熔体在预制骨架内的流动状态及变化规律进行预测,为熔渗过程质量控制提供依据.D a s J等[4]采用金属铜熔渗技术提高钨的机械性能,制备出接近全密度的渗铜钨块,铜钨复合材料展现出较好的机加工性能,且钨与铜之间的相互溶解忽略不计.
三、石墨烯增强铜钨复合材料
理想的触头材料要求是大的电流开断能力、耐压、接触电阻小、抗熔焊性好、耐磨、截断电流小、机械强度高及良好加工性能.现役国产C uW-80合金触头材料难以完全达到上述各项指标,其导电性、强度、耐磨、耐烧蚀等性能难以很好兼顾.目前,利用高硬度、耐磨、导热性好、耐高温和耐各种介质腐蚀的材料为增强相与金属基体进行复合的复合电接触材料,由于同时具备优良的力学和电学性质,已成为当前电接触材料研究的主要发展方向.石墨烯的发现为铜基复合材料的改性提供了新的思路和方法.石墨烯是由一层碳原子构成的二维碳纳米材料,具有优异的透气性、热导性、电荷传输性、光学及力学等.石墨烯基于其独特的物理和化学属性,成为一种有效防护层.一方面,s p2石墨烯表面在保护金属和反应物之间形成了天然扩散保护层.另一方面,石墨烯具有优异的热和化学稳定性.在惰性环境中,可以保存在大于1 500℃的高温中.
利用石墨烯增强金属基复合材料改性将为现役高压断路器用铜基复合电触头材料性能的进一步改进提供新的研究方法和思路.目前国内外已开展了一些石墨烯表面改性作为添加元素加入到铝基、银基、铜基等进行金属材料复合改性的探索性研究,但侧重于复合材料力学性能和电学性能,尤其是摩擦磨损性及抗烧蚀性的增强.关于石墨烯复合对金属基体材料导电性能的影响研究较少,且关于石墨烯的分散机制、分布形式及石墨烯的制备工艺、组织结构与宏观电学、力学性能之间的关联性也缺乏系统的认知,而且上述研究并非专门面向高压断路器电触头服役工况和性能要求的针对性研究,相关石墨烯改性高压断路器用铜基复合电触头材料的基础理论、制备技术及应用可行性尚待进一步探索,从而为新型高性能、长电寿命的大功率高压断路器电触头产品的研制及应用提供理论基础.
1. 石墨烯增强金属基复合材料的原理
复合材料一般由基体组元与第二相增强体或功能体组成,利用不同组份之间的相互作用影响材料性能,主要包括：共轭效应、乘积效应、诱导效应、系统效应.石墨烯具有优异的力学、电学及热导率,如果能够将石墨烯的优异性能应用于铜基体中,将有望弥补现役高压断路器用铜基复合电触头材料的不足,提升其抗烧蚀能力,保障高压断路器的安全运行.关于石墨烯改性铜基电触头材料研究过程中,如何合理控制石墨烯在金属基体中的分布,保证复合材料的致密性是保证石墨烯改性铜基复合材料导电性能的关键.
2. 石墨烯分散及界面结合控制原理
目前,石墨烯和金属复合材料的研究仍然面临着亟需解决的难题,需要通过控制石墨烯上金属纳米颗粒的分散程度和尺寸分布,增强复合材料的表面活性,实现石墨烯纳米片的均匀分布以及改善石墨烯和金属间的接触界面,提高其力学性能和热学、电学性能.
3. 研究进展
英国曼切斯特大学以石墨烯改性大功率高压断路器复合电触头材料为研究目标,深入研究石墨烯铜钨合金材料表面、掺杂改性的分散相容机理及其表面活化、修饰调控技术；通过对石墨烯复合电触头材料的制备工艺及其性能调控技术研究并结合微观组织形态,在试验室使用脱水还原法初步完成石墨烯改性铜钨复合材料小样制备,初步达到1h、800℃耐受无破坏的水平（对比纯铜钨合金材料耐受为1h、600℃）.
中国科学院宁波材料技术与工程研究所采用双中心混合分散机,实现铜粉和碳基分散剂的均匀混合.使用滑轨管式炉来原位生长大面积、高质量石墨烯,采用德国的双中心混合分散机充分混合石墨烯/铜,采用真空烧结机设备来制备石墨烯/铜钨合金,石墨烯和铜在粉末冶金工艺下,基本不会形成固溶体,石墨烯在石墨烯/铜钨合金中的体积含量对石墨烯/铜钨合金的电导性有密切的关系.
全球互联网能源研究院有限公司自主开发出综合性能优异的新型石墨烯改性铜基复合电触头材料,将大幅提升现役高压断路器电触头材料的安全使用寿命,推动我国新型高性能、长寿命电触头材料及产品的研发及其在电网中的应用.该材料将有力提升国家电网公司自主研发高端电触头产品的能力,促进电力工业开关电器的更新换代,对保障我国高压输电系统安全可靠运行具有重大的意义.
四、结语
目前所使用的高压电触头材料主要为铜钨合金材料,对于大功率大功率高压断路器应用的国产电触头产品主要为C uW-80合金材料,其制备工艺主要为熔渗法,其性能已难以较好满足特高压大电流工况条件下耐电弧烧蚀及机械磨损的性能要求.石墨烯的发现为触头用铜基复合材料的改性提供了新的思路和方法.石墨烯作为金属的增强体有其独特的优势,因此,将石墨烯优异的性能引入铜基体材料的改性研究中,充分发挥石墨烯高强度、高导电性等性能优点,开发具有优异综合性能的石墨烯铜基复合电触头材料,将会推动我国高压断路器电触头材料的进步及革新.
参考文献[1] 吴文安,梁殿清,肖春林,等.氮气氛烧结CuW/Cu触头材料结合强度的研究[J].电工材料,2004(2):3-7.
[2] 黄友庭,郭剑伽,汤德平,等.熔渗烧结法制备铜钨合金的性能研究阴[J].机电技术,2003,(B9):302-305.
[3] 王妮.CuW假合金熔渗过程数值分析[D].西安：西安西安理工大学,2012.
[4] Das J,Chakraborty A,Bagch T P,et al.Improvement of machinability of tungsten by copper infiltration technique[J].
International Journal of Refractory Metal and Hard Materials,2008,26(6):530-539.
上文总结：上文是一篇关于石墨和触头和研发方面的石墨烯论文题目、论文提纲、石墨烯论文开题报告、文献综述、参考文献的相关大学硕士和本科毕业论文.
参考文献：
1、 石墨烯基电极材料的超级电容在轨道交通中的应用 ■ 文 周晓航 许 旭北京极豆科技有限公司一、概述近年来,在国家政策的推动下,我国一线乃至二三线城市迎来了轨道交通建设的热潮 根据产业信息网数据,目前中国已有至少45个城市申报建设城市轨道交通项目,其.
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