国家自然科学基金青年科学基金申请书范文.docx

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1、报告正文（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）：1 .项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分 析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社 会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参 考文献目录）；研究意义碳纤维或石墨微粒等碳质相增强银基电接触材料主要用于制作 微电机的电刷和换向器，是保证微电机服役性能和寿命的关键。随着 微电机向高温、高速、高扭矩及低噪音方向发展，对碳质相增强银基 电接触材料提出了更高的性能要求，包括强度、耐磨、抗电弧侵蚀、 耐高温、抗腐蚀等1I?。与传统的碳质相增强体相比，得益于石墨烯 的Sp2轨道杂化以及二维薄层结

2、构，石墨烯材料展现出超高的强度、 优异热导率和电导率、透光率以及柔性轻质等特性。凭借以上独特的 物理性能，石墨烯受到了复合材料领域研究者的关注，期望石墨烯能 够带给复合材料新的性能。随着石墨烯量产工艺的逐步改进和完善， 低成本石墨烯增强体使得石墨烯复合材料的实际工程化变为可能。石 墨烯的高强、高导电导热性是区别已有增强体材料如石墨、碳纳米管 的最大优势特点，将这些性能优势引入到块体金属基电接触材料中， 将为金属基电接触材料的设计和性能提升带来巨大的影响目51。为此，本项目探究独具特性的石墨烯在银基体中的赋存状态、强 化作用、纳米界面行为，阐明石墨在提高复合材料的力学性能的同时 协调导电导热等物

3、理性能的内在原理以及改善银基体的抗电弧侵蚀 机理，具有重要的科学意义。在大量文献调研及前期工作基础之上，项目提出采用化学包覆- 超声处理-行星式高能球磨一正向热挤压技术，加速石墨烯层片的纳米 化，实现石墨烯强化相在银基体中均匀分散并形成部分强界面结合， 合成新型石墨烯增强银基电接触材料，同时对新材料微观结构和使役 性能（电接触性能）的关联性进行研究，对新型银基电接触材料的制备 与应用而言，也具有较好的现实需要。contactsC/47th IEEE Holm Conference on Electrical Contact, 2001: 259-264.31 Borkowski P, Walc

4、zuk E, Wojcik-Grzybek D, et al. Electrical properties of Ag-C contact materials containing different allotropes of carbonC/56th IEEE Holm Conference on Electrical Contact, 2010: 1-9.32荣命哲.电器触点静态电接触热过程的数值分析J.电工技术学报，1994, 10(3): 34-38.33吴细秀，李震彪.电器电极材料喷溅侵蚀的理论计算J.中国电机工程学报, 2003,23(6):96-101.34陈松，管伟明，张昆华

5、，等.Ag/La2NiO4基电触头使用中温度场的有限元分 析和实验研究J,稀有金属，2008, 32(3): 320-325.35 Verma P, Pandey O P, Verma A. Influence of metal oxides on the arc erosion behaviour of silver metal oxides electrical contact materialsJ. Journal of Materials Science & Technology, 2004, 20(1): 49-52.36王松，付作鑫，王塞北，等.银基电接触材料的研究现状与发展趋势J

6、.贵 金属，2013, 34(1): 79-83.37 Li Jing, Ma Zhiying. Research on arc erosion of silver-based alloy contact materials under low voltage, resistive load and small current at 400 Hz and 50 HzJ. Academic Journal of Xi an Jiaotong University, 2009, 21(3): 149-154.38 Gunther S, Julia S M, Bernd K, et al. On t

7、he mechanism of Ag exudation during internal oxidation J. Acta Materialia, 2010, 58(6): 2091-2102.39余海峰，马学鸣，朱丽慧，等.新型Ag-5%C电接触材料的制备及其电弧磨 损特性的研究J.稀有金属，2004, 28(1): 1-4.40蒋鹏，王亚平，丁秉钧.碳素形态对Ag/C触头材料组织及性能的影响J. 兵器材料科学与工程,2003, 26(3): 28-30.2 .项目的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键科学问题(此 部分为重点阐述内容)；研究内容本项目选用石墨烯作为增强相，采用化学包覆-超

8、声处理-行星式 高能球磨制备石墨烯/Ag备复合粉体，再通过等静压和正向热挤压技 术，合成新型石墨烯增强银基电接材料，其中石墨烯体积分数分别为 1.0%、2.0%和3.0%。研究高能球磨和正向热挤压过程中石墨烯银基 复合材料的组织演化规律和界面形成机制；分析石墨烯改善银力学性 能的强化机理，建立相应强化公式；分析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，建立描述新材料电接触过程中热、 电、力耦合物理场的有限元模型，为此开展的研究内容主要包括：(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

9、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 中的赋存状态及其对复合材料宏观性能的改善原理。(2)研究低电压、小电流条件下复合材料的桥转移和电弧侵蚀现 象。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，研究复合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，揭示石墨烯改善新材料耐 电弧侵蚀和抗金属转移能力的内在机理。(3)基于(1)和(2)的实验结果，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，

10、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。2.1 研究目标项目开展石墨烯银基新型复合材料的合成与耐电弧侵蚀机理研 究，目的在于明确石墨烯在银基体中的赋存状态，阐明石墨在提高复 合材料的力学性能的同时协调导电导热等物理性能的内在原理，建立 强化公式。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，为石墨烯银基新型电接触材 料的合成与应用奠定理论基础。2.2 拟解决的关键科学问题(1)提高石墨烯在银基体中的分散性

11、并建立石墨烯增强银基复 合材料的强度的理论公式石墨烯与银为互不相容、比重和尺寸相差较大的两相，如何将石 墨烯有效均匀分散于金属基体中并形成强界面结合，是合成石墨烯银 基电接触材料的关键所在。项目采用化学包覆-超声处理-高能球磨- 正向热挤压方法，降低石墨烯团聚成簇、促进石墨烯层片的纳米化， 使石墨烯与银之间形成部分强界面结合，提高石墨烯在银基体中的分 散性。同时，结合HaH-Petch公式和剪切滞后模型，建立石墨烯增强 银基复合材料的强度的理论公式。(2)揭示新型石墨烯银基电接触材料的耐电弧侵蚀与抗金属转 移机理不同材料体系、材料生产工艺、微观组织结构特征都会导致不同 的电弧侵蚀形式和侵蚀形貌

12、。电接触条件下，不同的电弧侵蚀机制将 导致触头之间出现熔焊、尖突与凹坑机械卡死、材料损耗、触头变形 等不同的宏观失效现象，而且具有时变性。项目采用实验和数值模拟 相结合的方法，对石墨烯银基新型电接触材料的耐电弧侵蚀与抗金属 转移机理展开研究，揭示该材料在瞬时热、电、力多场耦合作用下的 电接触行为，并建立有限元模型，为该类材料的研发应用提供理论基 础。3 .拟采取的研究方案及可行性分析(包括研究方法、技术路线、 实验手段、关键技术等说明)；拟采取的研究方法(1) Ag-石墨烯复合粉体的制备将多层石墨烯片置于配好的AgNCh溶液中，同时施以机械搅拌 和超声波分散，用氨水调节溶液的pH值为7.0,在

13、反应温度为50 条件下，滴入还原剂甲醛，待反应完成后用去离子水反复冲洗反应产 物并抽滤，将收集的反应产物于80干燥得到Ag-石墨烯包覆粉末。 称取适量Ag-石墨烯包覆粉末和雾化银粉，配制成石墨烯体积分数为 1%、2%和3%的复合粉末进行行星式高能球磨。为有效防止冷焊和 颗粒之间的团聚，在球磨过程中加入适量硬脂酸作为表面活性剂。(2) Ag-石墨烯复合材料的制备采用粉末冶金法制取Ag-石墨烯复合材料。具体制备工艺为：采 用冷等静压(300 MPa/2 min)获得Ag-石墨烯成形坯并预烧结初步致 密化。然后采用热等静压(800/125Mpa/1 h)形成高致密的复合体材 料坯锭。坯锭通过正向热挤

14、压工艺(挤压温度为850挤压速率为 15mm/s、挤压比为6.6)制得直径为8 mm的粗丝材，再经过多道次 冷拉拔获得直径为1.36 mm的Ag-石墨烯丝材，丝材样品均采用 400/2h的工艺进行保护气氛退火。部分丝材样品经钏钉机冷锹为钾 钉备用。同时采用相同工艺制备了 Ag-石墨材料作为试验对比材料。(3)微观结构和性能表征通过金相显微镜、扫描电子显微镜等，研究复合粉体及复合材料 丝材的组织形貌、尺寸，结合高分辨透射电镜，分析石墨烯的存在形 式、分布特点以及与银基体的界面结构。采用万能试验机、硬度仪等 设备，对样品进行力学性能分析，获得材料的弹性模量、延伸率、硬 度等力学性能参数；通过热分析

15、实验，获得相变潜热、熔点、热导率 等热学性能参数；通过涡流电导仪、电位计等仪器测试材料的电性能。 通过理论计算和试验数据获得有限元模拟计算所需的物性参数。(4)电侵蚀行为实验研究通过JFO4c型电接触实验机和电性能实验平台，获得接触电阻、 燃弧电压、燃弧电流、熔焊力等实验数据，通过金相显微镜、扫描电 子显微镜等研究侵蚀组织形貌，利用电子天平、电子探针等分析新材 料触头的材料转移机理、侵蚀表面的成分分布和演化、以及耐电弧侵 蚀机制。(5)电接触过程有限元模型建立根据实际钾钉尺寸3X0.7/L5X1.4/R8mm,建立2D轴对称 几何模型，为了使模型更加符合实际的接触状况，在该模型的接触区 做了一

16、层表面膜来引入接触电阻，厚度为O.lpmo采用ANSYS软件, 通过选用合适的电势方程、热传导方程和弹塑性应力-应变本构方程, 设定热边界条件、电边界条件和力边界条件，以及输入实验测定的材 料弹性模量、应力应变曲线、电弧的伏安特性、电阻温度系数等相关 参数，建立电接触过程的有限元模型，模拟计算耦合作用下的应力场、 温度场、电流和电压场分布及其随时间的变化，研究电接触过程多物 理耦合场的演化规律。3.1 技术路线项目采取的技术路线如图1所示。粉末性能表征与界面分析组织结构分析P二二 理 处 声一石墨烯/银包覆粉末一 一雾化银粉_ ( 1 1 - 1球磨参数优化I 一I银/石墨炜复合材料I物理性能

17、分析银/石墨烯复合粉末II1I热等静压及jI正向热挤压I电接触性能分析有限元模拟计算I i LI末II冷等静压低温退火,0的经耐电弧侵蚀机制分析图1技术路线图3.2 可行性分析项目的学术思想和研究方案是建立在对相关国内外研究现状与 发展趋势的深入分析和已有坚实的相关前期工作基础之上。课题组近 5年一直从事贵金属新型电接材料基础理论与制备应用工作，在与本 项目有关的研究的不同侧面，取得了理论研究和关键实验技术的重要 突破，并积累了较丰富的研究经验、研究基础和技术储备。(1)材料合成方面：项目课题组已经采用高能球磨、冷等静压、 热等静压、热挤压技术集成，成功研发出AgNiRE、Ag-SnCh、Ag

18、- 石墨、Ag-CNTs等银基电接触材料，具备合成石墨烯增强银基电接 触材料的工艺技术基础，同时课题组具备项目研制所需的反应釜、高 能球磨机、热挤压机等装备。(2)基础理论探索方面：项目课题组建立了单一强化相(氧化物颗 粒、石墨等)银基电接触材料的接触电阻理论计算公式和直流阻性负 载条件下银基电接触材料服役失效的综合电参数判据，以及基于气化 蒸发和液态喷溅的金属触头材料电弧侵蚀物理模型，具备坚实的理论 研究基础。(3)材料性能表征方面：项目组所在的稀贵金属综合利用新技术 国家重点实验室具备开展项目所需的组织结构表征、宏观物理性能测 试以及电接触性能测试(接触电阻、电弧能量、燃弧时间、电寿命)的

19、 分析检测设备。4 .本项目的特色与创新之处；(1)揭示石墨烯在银基体中的赋存状态，探讨石墨烯增强银基复 合材料的强化机理、纳米界面行为，阐明石墨在提高复合材料的力学 性能的同时协调导电导热等物理性能的内在原理。(2)探讨石墨烯增强银基电接触材料的耐电弧侵蚀和抗金属转 移机理，建立描述新材料电接触过程中热、电、力耦合物理场的有限 元模型，为新型银基电接触材料的研制提供理论指导。5 .年度研究计划及预期研究结果(包括拟组织的重要学术交流 活动、国际合作与交流计划等)。5.1年度研究计划本项目计划三年时间完成，研究期限为：2018年1月1日-2020 年12月31日。2018 年 1 月-2018

20、 年 12 月：(1)研究高能球磨过程中石墨烯层片的纳米化进程，复合粉体尺 寸、形貌以及两相界面结构；(2)研究复合材料成形、烧结和挤压过程中，Ag-石墨烯两相界 面的演变机制、复合材料致密化过程；(3)本年度预计发表研究论文2篇(其中SCI或EI收录1篇)。2019 年 1 月-2019 年 12 月:(1)对复合材料的微观结构和宏观物理性能进行表征，揭示石墨 烯在银基体中的赋存状态及其对复合材料宏观性能的改善原理；(2)开展复合材料的电接触试验，分析侵蚀表面的形貌、成分、 微观组织结构和侵蚀产物，研究电接触过程中液桥和电弧伏安特性;(3)本年度预计发表研究论文2篇(其中SCI或EI收录1篇

21、)。2020 年 1 月-2020 年 12 月:(1)研究复合材料电接触过程中材料转移类型和方向，探明材料 耐电弧侵蚀和抗金属转移的内在机理；(2)构建表征复合材料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、应力分 布和演化规律；(3)本年度预计发表研究论文2篇(其中SCI或EI收录1篇)，申请国家发明专利1项。52预期研究成果(1)揭示石墨烯在银基体中的分布、结合状态及其对复合材料宏 观性能的改善原理；(2)探明石墨烯增强银基复合材料的强化机理与耐电弧侵蚀机 理；(3)构建出一套用于表征石墨烯增强银基复合材料电接触区域 瞬时多场耦合的有限元模

22、型；(4)发表研究论文6篇(其中SCI或EI收录3篇)，申请发明专利 1项。(二)研究基础与工作条件1 .研究基础(与本项目相关的研究工作积累和已取得的研究工 作成绩)；项目课题组成员长期从事贵金属新型电接触材料的应用基础研 究和关键技术开发，已获得贵金属电接触材料方向的授权发明专利5 项，累计发表相关研究论文20余篇。在复合材料合成、电接触基础 理论研究与性能评价、材料界面反应控制及电接触行为研究等方面具 有较高的水平和实力。申请人所在课题组研制的AgNiRE、Ag-石墨、 Ag-SnCh、Ag-SnO21n2O3、Ag-CNTs等电接触材料，性能优异，已经 在中低压接触器、断路器、微电机等

23、领域得到实际应用。针对银基电 接触材料的合成与性能表征，近3年内，本课题组成员共发表SCI 或EI收录论文8篇；获授权发明专利2项；制定行业标准1项。在前期Ag-石墨烯电接触材料预研工作中，为了解决石墨烯在金 属基体中分散这一难题，采用化学沉积包覆、超声分散、高能球磨等 工艺，通过球料比、混粉时间、球磨转速等工艺参数优化，成功合成 出分散较均匀的Ag-石墨烯复合粉体，如图2和图3所示。图2化学沉积包覆Ag-石墨烯复合粉末 图3高能球磨Ag-石墨烯复合粉末同时，复合粉末进一步通过冷等静压、热等静压和正向热挤压工 艺合成了体积分数为1.0%和2.0%的Ag-石墨烯复合材料。复合材料 密度分别达到9

24、.13g/cm3 9.02g/cm3,导电率分别达到56.8%IACS 和55.2%IACS。新型Ag-石墨烯复合材料微观组织如图4和图5所示。图4Ag-1.0%石墨烯复合材料组织图5Ag-2.0%石墨烯复合材料组织在JF04C型电接触测试系统上对合成的新型Ag-2.0%石墨烯复 合材料钾钉触头进行电弧侵蚀试验，实验结果如表2所示。可以看出， 与传统Ag-5%石墨、Ag-10%SnO2电接触材料相比，新型Ag-2.0%石 墨烯复合材料的质量损失与转移均比前者低，其抗电弧侵蚀性能较前 者更优异。图6所示为DC 25V/15A阻性负载条件下Ag-石墨烯、Ag-石墨 电触头经30000次分断操作后阳

25、极和阴极电接点表面形貌的SEM照 片。由图5可知，Ag-石墨烯电触头电侵蚀表面较Ag-石墨电触头更 为平整和光滑。在电弧直接作用区域的边缘（即电弧侵蚀影响区）可看 到明显的材料熔化后向四周流动、喷溅的环形形貌。在高放大倍数下， 环形形貌主要特征是浆糊状结构和微气孔。浆糊状结构是在电弧侵蚀下，电接点表面银发生熔化、喷溅后，附着于电接点表面并相互粘连 形成的。微气孔则是溶入银熔池的空气，在熔池冷却时，其溶解度降 低，并在熔池表面张力的作用下逸出，在熔池表面发生破裂后留下的。图6 Ag-石墨烯电触头(a, b)和Ag-石墨电触头(c, d)电弧侵蚀表面形貌银基电接触材料的电弧侵蚀机理主要由材料的表面

26、张力与润湿 性、黏性与流动性、添加剂的热稳定性决定，有两种电弧侵蚀机理存 在于，一是在电弧本身的电磁场作用下形成离子的迁移；二是经高温 电弧烧蚀后，触头表面的温度急剧上升达到或添加剂材料的熔点，材 料熔化、分解和喷溅，形成质量损耗。已有研究表明(求花彩.纳米 Ag/SnO2电器触头材料的制备及性能研究D.河北工业大学,2014: 71-81): Ag/SnO2电接触材料电弧侵蚀机理主要为高温下SnO2的分解 起到灭弧作用，另外SnCh添加剂悬浮于熔融银池表面，提高了液态 银的表面张力和粘性，降低了材料的转移和喷溅。但是，石墨烯为稳 定的二维薄层结构，高温下不会分解，银-石墨烯复合材料耐电弧侵

27、蚀机理应与Ag/SnCh等材料不同，值的进一步分析研究。在多功能滑动接触电性能测试平台上对合成的新型Ag-2.0%石 墨烯复合材料进行电滑动试验，以Ag-5%石墨作为对比材料，经20V/10A直流负载、正反转常温运行300h后，观察两种材料表面形 貌，如图7所示。可以看出，两种材料均存在电弧损伤造成的熔融特 征，但Ag-2.0%石墨烯复合材料的电滑动磨损表面较光滑，表现出更 优的耐磨和抗电弧能力。由此可知，与传统Ag-石墨电接触材料相比, 新型Ag-石墨烯材料具有较大的电接触性能优势。但是，Ag-石墨烯 材料的耐电弧侵蚀机理与材料转移机制尚需进一步研究。表2 25V/15A直流阻性负载条件下经

28、5000次分段操作后材料的质量变化触头材料阳极触头（mg）阴极触头（mg）质量转移（mg）质量损失（mg）侵蚀前侵蚀后侵蚀前侵蚀后Ag-5%石墨5101508751125122104Ag-10%SnO2497149614966497264Ag-2%石墨烯512951215134513953图7电滑动试验后材料表面形貌：（a）Ag-2.0%石墨烯；（b）Ag-5%石墨2 .工作条件（包括已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟 解决的途径，包括利用国家实验室、国家重点实验室和部门重点实验 室等研究基地的计划与落实情况）；项目承担单位XXX研究所是中国唯一专门从事贵金属多学科领 域研究开发的综合性科

29、研机构，建有“国家贵金属材料工程技术研究 中心”，是“稀贵金属综合利用新技术国家重点实验室”的依托单位, 拥有先进完整的贵金属粉末冶金设备和复合材料成形加工设备，如超 细粉末制备设备、冷等静压机、热等静压设备、贵金属精密旋锻机、 热挤压机、贵金属精密拉丝机、真空热处理炉等。上述关键设备为本.2石墨烯在金属基体中如何实现高效分散石墨烯作为增强体在银基电接触材料使用时，关键科技问题在 于，其在基体中如何弥散均匀分布以及与基体的界面如何形成。均匀 分散的石墨烯不仅能细化晶粒、钉扎位错，还能更有效地承担载荷。 与其他微尺寸增强相一样，石墨烯因其较大的比表面积以及高表面能 而易于团聚，如何更均匀地将石墨

30、烯分散于金属基体中一直是研究热 点和难点。在粉末冶金加工以及其他制备技术过程中，石墨烯的分散 程度主要取决于预压成型或烧结之前的混粉工艺。通常石墨烯片的表面能随层数的减少而增大，单层石墨烯极易团 聚，多层石墨烯片的分散难度则相对较小。高能球磨技术，特别是 行星球磨可以实现多层石墨烯片在铜或银粉末中的良好分散，是报道 中最常见的石墨烯分散工艺之一。在高能球磨过程中，混合粉末经过 反复变形，断裂和冷焊过程，从而实现均匀混合，并且球磨粉末之间 能够部分达到原子尺度上的键合。为改善石墨烯纳米片的分散性， 经常在球磨前对石墨烯粉末进行超声处理、表面改性或加入表面活性 剂。石墨烯纳米片在范德华力作用下易于

31、团聚，在液体介质中对超声 处理后的石墨烯进行球磨处理，可以破碎团聚体，并且表面活性剂的 存在有助于保持石墨烯纳米片的分散状态8-13。Chu等口4研究人员采用高能球磨的方式将体积分数分别为3%, 5%, 8%和12%的少层石墨烯纳米片添加到纯铜粉中，当石墨烯的体 积分数达到12%时开始出现团聚。研究发现8%体积分数的石墨烯均 匀分布于基体中，复合材料的晶粒尺寸约4 |im,远小于纯铜晶粒尺 寸（约为10um）,这表明石墨烯起到了细化晶粒作用。均匀分散的石 墨烯能在晶界处有效钉扎位错，造成位错塞积，进而阻碍加工过程中 再结晶晶粒长大，提高材料变形时位错移动的晶界阻力。韩国弘益大 学Kim等采用高

32、能球磨结合和高速异步轧制合成多层石墨烯铜 基复合材料，利用大塑性变形诱导产生的大剪切应变来加速石墨烯层 片的纳米化和在铜基体中的分散，增加复合材料组织的均匀性，提高 复合材料的力学性能。杨帅使用高速球磨机和高剪切匀质机先合 成了少层石墨烯和纳米铜粉的复合粉末，再经放电等离子烧结得到石 墨烯铜基复合材料，材料屈服强度达到476MPa,高于普通纯铜（约项目的实施奠定了坚实的加工设备条件。在材料组织性能表征上，XXX研究所拥有完备的分析检测设备， 主要包括：X-射线衍射仪、JEOLFEM-3000F型高分辨透射电子显微 镜、LA920激光粒度分析仪、SETSYS Evolution 2400型综合热

33、分析 仪、Instron材料力学性能试验机、显微硬度测试仪、精密电阻测量 仪、JFO4c型电接触材料电性能评价分析检测基础平台。上述设备为 新型Ag-石墨烯复合材料的界面结构、粉末状态、物理性能和电接触 性能等方面的分析和理论研究提供了保障。在计算模拟方面，XXX国家重点实验室搭建了计算材料科学工 作平台，配置有有限元模拟分析软件，可以满足本项目模拟计算的要 求。综上所述，项目具备开展研究的工作条件，可以保证项目的顺利 实施及鬲质量完成。3 .正在承担的与本项目相关的科研项目情况（申请人和项目组 主要参与者正在承担的与本项目相关的科研项目情况，包括国家自然 科学基金的项目和国家其他科技计划项目

34、，要注明项目的名称和编 号、经费来源、起止年月、与本项目的关系及负责的内容等）；项目组主要参与者XXX正在承担国家自然科学基金青年科学基 金项目1项，项目名称：XXX掺杂XX电接触材料的电侵蚀性能及 其材料转移机理研究，项目编号：518070XX,项目经费：XXX万元， 起止年月：2017年1月-2019年12月。项目主要研究Y元素对Ptlr 合金微观结构与电接触性能的影响，具体研究内容与本项目不重复。4 .完成国家自然科学基金项目情况（对申请人负责的前一个已 结题科学基金项目（项目名称及批准号）完成情况、后续研究进展及 与本申请项目的关系加以详细说明。另附该已结题项目研究工作总结 摘要（限5

35、00字）和相关成果的详细目录）。无。（三）其他需要说明的问题1 .申请人同年申请不同类型的国家自然科学基金项目情况（列 明同年申请的其他项目的项目类型、项目名称信息，并说明与本项目之间的区别与联系）。无。2 .具有高级专业技术职务（职称）的申请人或者主要参与者是 否存在同年申请或者参与申请国家自然科学基金项目的单位不一致 的情况；如存在上述情况，列明所涉及人员的姓名，申请或参与申请 的其他项目的项目类型、项目名称、单位名称、上述人员在该项目中 是申请人还是参与者，并说明单位不一致原因。无。3 .具有高级专业技术职务（职称）的申请人或者主要参与者是 否存在与正在承担的国家自然科学基金项目的单位不

36、一致的情况；如 存在上述情况，列明所涉及人员的姓名，正在承担项目的批准号、项 目类型、项目名称、单位名称、起止年月，并说明单位不一致原因。无。4 .其他。同行专家推荐信见附件。300MPa）o国内外学者的研究结果说明，采用高能球磨技术制备石墨烯金属 基复合粉末，能够较好解决石墨烯在基体材料中的分散性问题，使复 合材料组织更加致密细小，同时大幅度提升复合材料的力学性能。但 由于高能球磨过程中猛烈持续的撞击，石墨烯片的结构容易遭到破 坏，因此采用高能球磨分散方法时应注意球磨工艺（如球料比例、球 磨气氛或溶剂的选择、球磨速率和球磨时间等）的控制和优化。因此, 本项目选用行星式高能球磨技术，制备多层石

37、墨烯-银复合粉末，以 便使多层石墨烯纳米片较为均匀弥散地分布在银基体中。5 .3石墨烯增强金属基复合材料力学性能的理论研究进展石墨烯增强金属基复合材料的作用机理及规律目前仍没有统一 的结论。因此，开展对石墨烯增强金属基复合材料强化机理的研究， 探讨石墨烯增强银基复合材料的纳米界面行为，阐明石墨在提高复合 材料的力学性能的同时协调导电导热等物理性能的内在原理，将有助 于完善石墨烯增强金属基复合材料的理论基础。将石墨烯作为增强相添加到金属基体中的主要目的是提高材料 的强度。复合材料的强化行为可用不同的数学模型表示，微观力学模 型能在给定的宏观载荷以及组成相形状和性能条件下计算相的局部 应力与应变场

38、，预测非均质复合材料力学性能对组成相的几何形状和 性能的响应，并通过分析实验与理论结果的差别，从根本上阐明石墨 烯的强化机制。目前Cox剪切滞后模型和Halpin-Tsai经验公式已 被用于分析石墨烯增强金属复合材料的力学性能。C o x剪切滞后模型 假设弹性基体与纤维界面完美结合，且拉力沿着纤维方向加载，载荷 由基体与增强纤维的界面间剪切应力传递。根据石墨烯的取向和结构 等因素修正剪切滞后模型，其预测值能够很好地匹配实验测量值。通过机械球磨结合热等静压成型将石墨烯添加到铝合金中，不仅 提高了材料的抗拉强度，还保持了较高的伸长率网，综合HalLPetch 公式和剪切滞后模型，石墨烯增强铝基复合

39、材料的屈服强度服从以下 公式：（ _lYv（5 + 4）（ 一，: 5）+kd 2 - + 0-VJ式中：气和k为与晶体类型有关的常数；d为基体晶粒尺寸；V/ 石墨烯体积分数；S为石墨烯的径厚比。复合材料的屈服强度主要受 石墨烯径厚比影响，S越大，则屈服强度/越高。采用剪切滞后模型 预测石墨烯-镁/铜复合材料的屈服强度，所得结果与实验值吻合，研 究表明：主要强化机制是自基体至石墨烯的有效载荷传递，这得益于 锲纳米颗粒促进石墨烯分散并提高了石墨烯与基体间的润湿性19； 同时也证明Cox剪切滞后模型可以为石墨烯增强金属基复合材料力 学性能的预测提供理论指导。但是，此模型未考虑当石墨烯含量过大 时发

40、生的团聚现象对强度产生的负面影响，仅适用于石墨烯完全均匀 分散的理想情况。另外，石墨烯的添加将产生附带的冶金强化效果，例如晶粒细化 引起的Hall-Petch效应、Orowan机制、石墨烯与基体间的热膨胀系 数差异引起的热错配机制和位错增殖同样会提高强化效应，有待于结 合实验进一步研究。6 .4直流电弧作用下银基电接触材料的电弧侵蚀行为研究现状银基电接触材料在直流电弧作用下服役时，主要的失效形式主要 有3类：接触电阻升高、触头烧穿和触头粘接。3种失效形式都与分 合燃弧特性及材料性能直接相关。在电弧与触头相互作用过程中，带 电粒子被触头间的电场、热场加速，高速轰击触头表面，触头温度升 高，发生熔

41、化甚至气化，触头表面材料以蒸气形式进入到电弧中；高 速粒子在轰击触头表面过程中产生力的作用，使触头材料以液滴形式 发生喷溅，导致部分材料丢失到周围环境中。电弧燃烧过程所伴随的 熔化、蒸发和喷溅等现象使得触头材料发生侵蚀和转移，触头表面将 形成凹坑和突起，触头材料组分和组织结构发生改变，进而导致触头 接触电阻升高、质量减小、熔焊力变大120-23。因此，电接触材料的侵 蚀行为一直是电接触研究领域中的基本问题，并且直接决定了电触头 的使用寿命。由于电接触材料在使用中需要经历闭合电弧一接触电阻焦耳热 一分断电弧一自然冷却过程，故材料的侵蚀是多过程、多变量和多物 理场耦合的结果。如果要深入研究这些过程

42、中电接触材料的具体行 为，必须采用一定的研究方法和手段24。目前国内外研究主要采用实验和数值模拟相结合的思路：首先在实验数据的基础上，建立一定 的数学模型；其次采用数值分析方法(主要是有限元方法)进行求解和 计算；最后，通过计算结果和实验结果的比较并完善数学模型，从而 了解电接触材料的侵蚀机理、电接触过程和控制因素。(1)电弧侵蚀行为实验分析研究针对电接触材料在直流电弧作用下发生质量变化，成分变化和表 面形貌变化，相应的实验研究方法分别为：称重法，表面成分分析和 表面形貌分析3-27。称重法利用质量测量设备，得到燃弧前后阴极和 阳极触头质量变化。因单次燃弧导致的触头质量变化太小，难以准确 测量

43、，因此通常进行上万次燃弧实验。每隔一定次数后，测量触头质 量，分析烧蚀量随燃弧次数/燃弧时间的变化，确定单次燃弧导致的 触头平均侵蚀量。触头表面成分分析通常利用能谱分析仪(EDS)对烧 蚀后触头表面微区成分元素种类和含量进行分析，得到触头表面不同 区域内材料成分在燃弧前后的变化。触头表面形貌分析方法是利用扫 描电镜(S E M)对烧蚀区域进行显微组织观测，定性描述烧蚀区域的形 貌特征，并对烧蚀轨迹直径、电弧斑点个数及尺寸、喷溅颗粒尺寸等 进行定量分析。由于侵蚀机理的复杂性和侵蚀特性的多样性，研究者 通常也采用多种实验方法(如高速摄像法、探针法、激光成像法等)从 不同角度描述侵蚀特性，建立侵蚀模

44、型，分析侵蚀机理。(2)电弧侵蚀行为有限元模拟研究在电接触材料侵蚀行为的模拟研究方面，Yukio NakaqawaL28J采 用数值计算的方法建立了电触头电弧侵蚀热传播过程的一维模型，首 次建立了电触头材料的物理参数与电接触行为的定量关系。随后， KhariM29考虑了表面张力、重力、电磁收缩力的作用对熔桥形状变化 的影响，通过数学建模的方式建立了 MHD有限元模型。Borkowski。 建立了电弧作用的唯象模型用于描述电接触现象，进行了相应的计算 和分析，并深入研究了银-石墨触头材料的电性能PL国内主要是西 安交通大学、华中科技大学和北京邮电大学等高校从事该方面的研 究。西安交通大学的荣命哲

45、等教授阳对接触电阻焦耳热产生的温度 场进行了分析和计算，并建立了恒定大电流工作条件下，电弧对材料 作用的简化模型，并采用有限差分法求解温度场。近年来，华中科技 大学李震彪教授等R建立了较好的电弧作用模型，并采用有限元方 法进行计算和分析。昆明贵金属研究所的陈松研究员等M通过对实 验中闭合电弧一接触电阻焦耳热一分断电弧一自然冷却过程的分析, 根据测得的相关实验数据，采用有限元方法对该模型进行计算，得到 电触头的瞬态温度场的分布和演化特点建立一个电触头使用过程中 的瞬态温度场的计算模型。电接触材料侵蚀行为数值模拟的发展由有限差分法发展到有限 元法，相应模型从一维发展到三维，从单物理场分析逐渐发展到

46、热、 电、力多物理场耦合分析，从稳态到瞬态。由于电接触过程的复杂性, 目前电接触过程的数值模拟大多为热、电耦合模型，而对电接触中的 接触行为进行了假设。只有少数学者对电接触过程中的热、电、力接 触行为进行了耦合分析，考虑触头变形对热、电行为的影响也较少。 因此，建立与实际工作条件相接近的热、电、力耦合数值模拟模型用 于研究银基电接触材料的电弧侵蚀行为具有重要的理论意义。7 .5研发新型碳质相增强银基电接触材料的必要性碳质相增强银基电接触材料，包括Ag-石墨、Ag-碳纳米管、Ag- 石墨烯等，是制备电机和电子器件中集电环、导电换向片、整流片、 导电刷、电位器等滑动接触导电元件的关键材料，其特点是

47、材料需在 相对滑动中保持接触，并担负着传递电讯号和电能的重要作用，其机 械性能和电性能的优劣直接影响着电机、仪表、电路和电器的可靠性、 稳定性、精确度和服役寿命RI。相对于固定接触和弹性接触电接触 材料，滑动接触电接触材料需要满足下述一些特定的性能要求：（1） 具有良好的导电性与化学稳定性，以保证低而稳定的接触电阻，载流 滑动时不能出现电噪声；（2）具有优异的耐磨损性能，相对滑动摩擦 引起的磨损不影响到电讯号和电能输入（或输出）的可靠性与稳定性； （3）具有较小的温升，摩擦产生的温度升高不导致材料的局部软化或 熔化，从而保证接触电阻的稳定和避免材料发生粘连；（4）具有良好 的抗电弧侵蚀性能，在

48、周期性出现接通或断开电流的工作状态时，能 够很好地抵抗瞬间电弧的侵蚀36。目前，已经得到商业化应用的碳 质相增强银基电接触材料仅有Ag-石墨电接触材料。但是，随着电机、 仪表朝着小型化、轻质、高速方向发展，对电接触材料的接触电阻、 耐磨损性能、载流能力提出了更高的性能要求，Ag-石墨材料存在的 固有性能缺点日益凸显，表现为长时间运转情况下表面膜增厚、接触 电阻增大、温升增加，材料材料强度下降、易发生熔焊；Ag-石墨硬 度较低、耐磨性不足、电刷磨耗严重，影响散热。为了进一步提高Ag-石墨电接触材料的性能，研究工作者开展了 相关工作，如采用烧结挤压法来制备高致密Ag-石墨材料，并使石墨 呈纤维状分布于银基体中，一定程度上提高其耐磨性。使用适量碳纳 米管部分替代石墨加入到Ag-石墨材料中，改善材料的耐电弧侵蚀性 能Rd。尽管这些新措施使Ag-石墨材料的性能得到了一定优化，但 由于石墨本身固有的颗粒粗大、低导电性、低硬度等缺陷，导致银- 石墨复合材料总体综合性能的