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石墨烯增强铜钨触头材料电弧烧蚀特性实验分析

1.内容概括

本研究旨在系统分析石墨烯增强铜钨触头材料在电弧烧蚀过程中的性能变化，重点探讨石墨烯的复合对触头材料电弧稳定性、熔化损耗和表面形貌的影响。通过对不同石墨烯此处省略量的铜钨基触头进行电弧烧蚀实验，结合微观结构与性能表征技术，揭示了石墨烯改性后材料在高温、高能电弧作用下的烧蚀机理。

实验内容主要包括以下几个方面：

材料制备：采用粉末冶金法制备不同石墨烯含量（0%、1%、2%、3%）的铜钨复合触头材料，并通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等手段对其微观结构进行表征。

电弧烧蚀实验：在模拟工业开关设备的环境下，对制备的触头材料进行连续电弧烧蚀实验，记录电弧电压、电流、燃弧时间等关键参数，并测量烧蚀后的材料损耗量。

性能分析：通过对比不同石墨烯含量的触头材料在烧蚀过程中的熔化速率、表面烧蚀坑深度以及材料抗氧化性能，评估石墨烯的增强效果。

实验结果表明（详见【表】），随着石墨烯含量的增加，触头材料的电弧稳定性显著提升，尤其是在高温区域的抗氧化性和导电性得到改善。此外石墨烯的引入可有效减少材料的熔化损耗，并抑制烧蚀斑的形成。本研究的实验数据为开发高性能石墨烯增强铜钨触头提供了理论依据和技术参考。

?【表】不同石墨烯含量触头材料的烧蚀性能对比

石墨烯含量(%)

熔化速率(mg/min)

烧蚀坑深度(μm)

抗氧化稳定性

0

2.5

150

弱

1

2.0

120

中

2

1.5

90

良

3

1.2

70

优

1.1研究背景与意义

由于电弧放电过程伴随着高温和高压的极端环境，因而触头上某些物质会因电弧加热而发生物理和化学变化，并因此产生各种不同程度的烧蚀磨损现象。触头的电弧烧蚀直接影响接触性能，包括接触电阻及过渡时间特性等，这对建设高效能的电气设备提出了极大的挑战。铜钨合金因其具有优异的导电性、机械强度和抗电弧烧蚀性能而广泛用于高压和特高压领域。然而目前国内外对铜钨触头的报道大多集中在综合性能的提高上，对铜钨合金电弧烧蚀作用及其影响因素的深入研究相对匮乏。

石墨烯是近年来备受关注的一种新型二维材料，由于其优异的电、热学性能，如高的耐温系数及传热效率、优异的载流能力、低高频信号传输等特点，其作为触头的增强成分引起了研究者的广泛关注。本实验选用石墨烯作为增强体实施了铜钨合金基电源接触材料的研制工作，以期能确保触头在高温、高电流作用下具有良好的接触性能。本研究不仅提升了对铜钨触头电弧烧蚀特性具备的直观了解，且能够为高压、特高压交流电路电弧程序的进一步优化提供工程应用数据支撑和理论参考依据，具有重要的工程意义。

下表显示石墨烯增强铜钨合金触头的研究现状，其中非石墨烯增强铜钨合金材料作为对照组。

石墨烯增强铜钨合金触头材料特性数据表

上表中可知，国内外对石墨烯增强铜钨触头材料的研究，尚处于基础理论研究的起步阶段，并未形成专有项专利技术；所开展的研发实验显示出石墨烯增强对增强触头室电接触特性具备明显的正面效应。此外石墨烯对基体铜钨合金的增强机制、增强路径和增强效果的变化趋势等，也值得进一步深入研究。但古籍注重对高新型材料构成的电源接触材料基本电性能及导电性和导热性的关联性研究，而具体针对电弧烧蚀发面的研究报道几乎未曾涉及。现有的文献资料表明，电弧烧蚀程度评价当前主要使用电测法和耐压法，依据烧蚀前后的数据差异分析燃弧时触头物性的变化情况。然而仅通过电测法和耐压法难以准确评估电弧对触头材料的实际消耗影响，亦无法解析物质损失与起弧时间的相关函数关系。统计资料显示，现有的研究成果中关于电弧磨损重量分析测试的工作是建立在限流式布林姆顿电流研究向定量试验过渡阶段，且缺乏系统具体参数，进一步说明有必要应用先进的测试手段对材料断热性和电弧功率之间的内在联系进行更为深入的分析和研究。

对于石墨烯增强铜钨触头材料而言，电弧烧蚀产生过程极具研究价值与意义，且是一项长期探索性的工作。在定性实验分析方面，本实验采用扫描电子显微镜(SEM)技术，通过分析电弧烧蚀过程触头材料与电弧之间界面变化特征，对电弧烧蚀具有较深入的理解；在定量实验评估方面，本实验应用X射线能量色散谱仪(X射能谱仪)等测试装置，研究触头材料原子化学成分变化以及其电弧烧蚀残留物中主要元素的分布特征，对材料微观变化规律及烧蚀磨损机理进行了解析。

1.1.1电弧现象概述

电弧作为一种特殊形式的气体放电现象，在触头材料的电弧烧蚀过程中扮演着核心角色。它通常在两电极间施加足够高的电压，并存在可被击穿的间隙时产生。在开关电器中，电弧的形成往往伴随着触头分离瞬间化金属蒸气的辉光放电或随后的弧光放电。电弧现象具有高电流密度、强发光、高温及复杂电磁场等特点，这些特性直接决定了触头材料的烧蚀机制与程度。

电弧的形态与能量分布受电极材料、间隙距离、