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国家基金交流汇报项目名称：银-石墨烯新型电接触材料的强化机理及其电接触行为研究项目类型：青年科学基金汇报时间：2020年9月一、项目立项时的目标和内容二、本项目工作的进展三、本项目成果概要四、项目执行中的经验、体会、待改进的问题汇报目录一、项目立项时的目标和内容研究目标采用超声分散-球磨制浆-真空干燥-压制烧结-正向热挤压新方法改善石墨烯在银基体中的均匀分散性，并揭示石墨烯在银基体中的分布状态，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，通过数值模拟与实验相结合的方法，揭示石墨烯改善新材料耐电弧侵蚀和抗金属转移能力的内在机理，构建表征新材料电接触区域瞬时多场耦合的有限元模型。研究结果可为石银石墨烯新型电接触材料的研发与应用奠定理论基础。新方法制备银石墨烯新材料ffVsVd1ABk210c构建修正强化公式建立电接触有限元模型为银石墨烯电接触材料研发应用提供理论基础一、项目立项时的目标和内容研究内容(1)研究高能球磨过程中Ag-石墨烯复合粉体的机械合金化进程，多层石墨烯片的纳米化演变，以及石墨烯/Ag两相界面结构；研究正向热挤压时，石墨烯/Ag两相界面的演变机制、复合材料致密化过程以及复合材料微观结构、力学和电学性能。揭示石墨烯在银基体中的分布状态及其对复合材料宏观性能的改善原理。(2)研究直流阻性负载条件下复合材料的电弧侵蚀行为。分析侵蚀表面的形貌、成分、微观组织结构和侵蚀产物，分析电接触过程中的伏安特性，研究材料转移的类型和方向，以及电路通断过程中的电弧特性，确定其影响因素，揭示石墨烯改善材料耐电弧侵蚀和抗金属转移能力的内在机理。(3)基于(1)和(2)的实验数据，获得构建材料电接触过程中热、电、力耦合物理场有限元模型所需的弹性模量、应力应变曲线、电弧的伏安特性、电阻温度系数等相关参数，从而建立表征电接触区域瞬时多场耦合的温度、电流、应力分布的有限元模型，揭示新材料电接触过程温度、电流及应力的分布和演化规律。超声分散球磨制浆压制成形烧结正向热挤压冷拉拔二、本项目的工作进展银石墨烯复合材料致密化规律图1银石墨烯复合材料密度随压制压力变化规律图2压制数据符合川北公夫方程银石墨烯复合材料的成形银-石墨烯粉末的成形规律符合川北公夫方程。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。二、本项目的工作进展银石墨烯复合材料致密化规律表1不同烧结温度下银石墨烯复合材料的密度图3烧结态银石墨烯组织图4烧结能力系数变化曲线图5烧结能力系数计算公式二、本项目的工作进展银石墨烯复合材料组织结构分析图6(a)石墨烯、(b)银粉、(c)球磨组织、(d)石墨烯嵌入银粉形态松装密度与XRD图谱二、本项目的工作进展银石墨烯复合材料组织结构分析图7直接混粉压制烧结方法图8新工艺制备方法新方法制得的银石墨烯复合材料中石墨烯分布均匀且银基体与石墨烯之间界面结合良好，石墨烯和银基体之间存在宽度约5nm的由银原子和碳原子相互扩散嵌入形成的界面过渡区。图9银石墨烯TEM照片二、本项目的工作进展银石墨烯复合材料组织结构分析图10不同石墨烯含量银石墨烯复合材料组织随石墨烯含量增加，其在银基体中越易团聚，复合材料导电率降低。图11不同石墨烯含量银石墨烯导电率二、本项目的工作进展银石墨烯复合材料力学性能公式中σc为复合材料屈服强度、σm为银基体的屈服强度(34.2MPa)，s为石墨烯纳米片的径厚比(约300)，Vf为石墨烯纳米片在银基体中的体积分数，A、B为待求系数，通过两组实验数据可以计算出A=4，B=4。cmB1AffVsV求解方程cm414ffVsV表2银石墨烯复合材料屈服强度的计算值与实测值二、本项目的工作进展银石墨烯复合材料力学性能图13银石墨烯复合材料应力-应变曲线图12银石墨烯复合材料拉伸断口形貌石墨烯含量的增加在提高复合材料强度的同时，逐步劣化其塑性。复合材料的断裂特征为典型的韧窝聚合型延性断裂，石墨烯纳米片增强相以薄纱状原始形态保留在银基体中。三、本项目成果概要1、发表论文2篇，录用待发表1篇[1]王松,王塞北,李爱坤,谢明,陈永泰,杨有才,方继恒,侯攀.不同碳质相增强银基复合材料的电接触行为[J].贵金属,2018,39(4):39-45.[2]王松,谢明,陈家林,张吉明,李爱坤,胡洁琼,王塞北.Ag-GNPs新型电接触材料的制备及其电接触行为(英文)[J].贵金属,2018,39(3):59-66.[3]WangSong,ZhengTingting,XieMing,LiAikun,HouPan.DensificationBehaviorofAg-GrapheneCompositesPre-paredbyLow-pressureCompressingandVacuumSintering[J].RareMetalMaterialsandEngineering,2019年11期待发表.2、申请发明专利1项王松,谢明,刘满门,王塞北,陈松,侯攀,胡洁琼,李爱坤.一种高导电高强度银-石墨烯复合材料的制备方法,201910148616.6,2019年2月28日.(受理)四、项目执行中的经验、体会、待改进的问题采用超声分散-球磨制浆-真空干燥-压制烧结-正向热挤压可有效改善石墨烯在银基体中的均匀分散性，但有以下几点需要注意：(1)球磨时间不宜过长，长时间球磨机械化作用易破坏复合粉末结构的完整性及结晶度。(2)球磨过程中宜加入硬脂酸作为控制剂，以减小复合粉末球磨过程中发生的冷焊和降低石墨烯的团聚。(3)球磨制浆时溶液(水+酒精+丙酮混合物)不宜过多，溶液过多造成绝大部分石墨烯漂浮聚集在溶液上方，起不到球磨分散作用。(4)由于石墨烯与银基体润湿性差，为改善这种情况，球磨后、热挤压后均需进行退火处理，进一步细化均匀组织。敬请各位专家批评指正！2019年度国家基金委电工学科高电压领域交流汇报