呂通發(fā) 何永春 牟鑫 呂超 楊倩倩 鄭希 葉曉慧

摘?要：為改善抗電弧燒蝕能力差導(dǎo)致銅合金觸頭電壽命不足的問題，本文采用激光法在鎳鍍層增強紫銅表面原位制備大面積石墨烯，形成石墨烯/鎳/銅復(fù)合材料，提高Cu基觸頭的使用壽命.設(shè)置電沉積電流5 mA，沉積90 s后在銅表面引入平均厚度為25～27 μm的Ni過渡層，改善Cu對激光的高反射、高導(dǎo)熱問題.通過旋涂石墨碳源在鎳過渡層表面，設(shè)置納秒激光功率1.5 W，脈寬150 ns，掃描速度10 mm/s，加工3 次，頻率250 KHz后進行輻照，在銅鎳過渡層表面成功制備了石墨烯獨立涂層.對復(fù)合材料進行了理論分析和實驗驗證，取得了相應(yīng)最優(yōu)參數(shù)下的相關(guān)性能數(shù)據(jù).結(jié)果表明，石墨烯/Ni/Cu復(fù)合觸頭硬度為245.45 HV，是紫銅的3.17倍;接觸電阻0.096 mΩ符合國家標(biāo)準(zhǔn);摩擦系數(shù)0.083 7是紫銅的0.73倍;500 ℃時復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)為1 178 W/（m·K），是紫銅的3.43倍.同時，復(fù)合材料具有良好的抗氧化性能.本文為新型銅合金觸頭的制備提供了新的思路和實驗基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：激光技術(shù)；石墨烯復(fù)合觸頭；激光加工；電沉積鍍鎳

中圖分類號：TN249

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：2096-398X（2023）04-0126-10

Abstract：To improve the problem of insufficient electrical life of Cu alloy contacts due to poor resistance to arc ablation，this paper uses the laser method to prepare large-area graphene in situ on the surface of purple copper to prepare graphene/Ni/Cu composite contact materials and improve the service life of copper-based contacts.The electrodeposition current was set at 5 mA and a nickel transition layer with an average thickness of 25～27 μm was introduced on the Cu surface after 90 s of deposition to improve the high reflection and thermal conductivity of the Cu to the laser.The graphene freestanding coating was successfully prepared on the surface of the Cu-Ni transition layer by spin-coating a graphite carbon source on the surface of the nickel transition layer，setting a nanosecond laser power of 1.5 W，pulse width of 150 ns，scanning speed of 10 mm/s，processing three times and irradiating at a frequency of 250 KHz.The composites were theoretically analysed and experimentally verified，and relevant performance data were obtained for the corresponding optimum parameters.The results showed that the hardness of the graphene/Cu composite contact was 245.45 HV，3.17 times that of Cu，the contact resistance was 0.096 mΩ in accordance with national standards，the coefficient of friction was 0.083 7，0.73 times that of Cu，and the thermal conductivity of the composite was 1 178 W/（m·K） at 500 ℃，3.43 times that of Cu，while the composite had good oxidation resistance.This paper provides a new idea and experimental basis for the preparation of new copper alloy contacts.

Key words：laser technique；graphene contact materials；laser processing；electrodeposition Ni

0?引言

近年來，我國大力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，其中軌道交通中的地鐵、高鐵動車牽引動力配電系統(tǒng)在社會日益增長的需求中尤為重要［1］.大型牽引電機組的開關(guān)裝置中空氣直流開關(guān)裝置的電弧分割難度較大，這些損壞降低整機使用性能和壽命［2-4］.當(dāng)超出使用壽命，易再次觸發(fā)形成電路開關(guān)的電弧，影響電容器組整體絕緣性，對電網(wǎng)整體安全運行帶來嚴(yán)重影響［5］.目前，已經(jīng)有許多學(xué)者通過引入增強相與基體復(fù)合制備新型銅基復(fù)合材料來提升電工性能，其中碳材料種類廣泛，是該領(lǐng)域近幾年的主要研究方向.其中石墨烯具有高電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、載流子遷移率等優(yōu)異性能成為復(fù)合新觸頭材料的熱門研究方向［6-13］.

Cui等［7］通過無壓浸潤技術(shù)制備的新型碳纖維2.5D編織預(yù)制增強的碳/碳-銅復(fù)合材料以極低的0.63 mΩ·m的電阻率，驗證了碳/銅復(fù)合材料在機械和電氣性能方面的優(yōu)勢.Maharana等［9］采用脈沖電沉積法在拋光銅基片上制備了石墨烯/銅復(fù)合膜，以改善電氣用銅組件的表面機械和電氣性能.Zhang等［12］采用粉末冶金方法制備了銅基/石墨烯復(fù)合材料，復(fù)合材料的密度、硬度、導(dǎo)熱系數(shù)等均有所提高.研究表明，石墨烯改性紫銅來提升銅觸頭的電工特性是可行的，但是僅將石墨烯作為添加劑加入原材料中，無法充分體現(xiàn)石墨烯的優(yōu)異特性，對銅的抗氧化性和抗電弧燒蝕特性的提高十分有限.因此，需開發(fā)一種以石墨烯為主的表面涂層對銅基觸頭進行電工性能提升.

近年來，激光輔助加工技術(shù)已成為材料制造與加工的一種重要技術(shù)手段［14］，通過激光法大面積的制備石墨烯薄膜技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用［15-19］.其中Ye等［15，16］通過激光法在純鎳板及45#鋼金屬表面上成功制備大面積的石墨烯薄膜.近期，徐國輝等［20］通過激光法在等離子體技術(shù)引入的鎳銅合金表面成功制備了石墨烯涂層，為新型銅合金觸頭具有優(yōu)異電工性能提出了新思路.上述工作表明激光法大面積制備石墨烯獨立薄膜的可靠性，但銅金屬具有高散熱和激光高反射特性導(dǎo)致直接通過激光加工在銅表面原位生長石墨烯薄膜困難，鎳用作過渡層可以彌補激光加工銅的困難之處.因此，在激光直接輻照銅表面前，先通過電鍍技術(shù)在銅表面沉積鎳層，再采用激光輻照鎳銅表面制備大面積石墨烯獨立涂層是可行的.

本工作在紫銅表面通過激光法原位生長石墨烯薄膜，石墨烯作為獨立涂層，可以提高其機械性能和電學(xué)性能，極大程度的保護銅合金觸頭在多次開合過程中形成的電弧燒蝕、摩擦磨損，提高電壽命.通過電沉積技術(shù)在紫銅表面制備鎳過渡層，后通過旋涂法在紫銅表面預(yù)置石墨碳源，采用納秒激光器對沉積碳源的材料表面輻照，可在紫銅表面快速生長出全覆蓋的石墨烯薄膜.通過研究電鍍參數(shù)及激光加工參數(shù)，及制備的復(fù)合材料機械性能、電工性能，為高壓領(lǐng)域電觸頭材料更新?lián)Q代提供理論與實驗指導(dǎo).

1?實驗部分

1.1?電沉積方法制備鎳過渡層

本文中采用電沉積鍍鎳法對紫銅塊體（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.999）表面進行鎳過渡層的制備，通過調(diào)節(jié)電沉積時間、電沉積電流對所制備的鎳過渡層質(zhì)量進行調(diào)控.電鍍前，為去除銅表面氧化層，需對銅塊進行實驗前處理，分別放入濃度為10%稀H2SO4及去離子水中各超聲清洗15 min后放入電解液中通過電泳儀電源（DYY-11）通電進行電沉積鍍鎳，電鍍沉積鎳過程示意圖如圖1所示.采用電解液配方為：NiSO4·6H2O 300 g/L，NiCl2·6H2O 30 g/L，H3BO3 30 g/L，十二烷基硫酸鈉0.05 g/L，電解液PH范圍為3.5～3.8.經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化得到最佳電沉積參數(shù)為：直流電流5 mA，電沉積時間90 s，對最優(yōu)參數(shù)制備的鎳過渡層進行物相分析，形貌及厚度表征，分析過渡層結(jié)構(gòu).

1.2?激光法制備石墨烯實驗過程

采用納秒光纖激光器（YDFLP-E-30-M7）在電沉積的鎳過渡層表面制備大面積石墨烯涂層，制備過程如圖2所示.配制無水乙醇（分析純AR）與石墨粉（純度99.99%，粒徑為50 μm）以10 mL∶1 g的混合溶液旋涂在電沉積后的含Ni過渡層表面，空氣中靜置待無水乙醇完全揮發(fā)，將預(yù)置好石墨涂層的Ni/Cu復(fù)合材料置于真空腔，在激光加工前通入30 min氬氣（純度99.99%）排除腔體內(nèi)空氣，采用納秒光纖激光器輻照石墨涂層，激光加工高度聚焦在Ni/Cu復(fù)合材料表面，隨激光輻照石墨涂層傳熱至基體復(fù)合材料，使基體表面形成熔池，碳原子溶解進熔池，激光輻照后，復(fù)合材料表面快速冷卻，碳原子在合金表面析出并重新排列，形成完整的石墨烯薄膜，激光加工整個過程均處于氬氣氣氛中.

1.3?復(fù)合電觸頭材料的表征及性能測試方法

對上述制備的石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料，采用光學(xué)顯微鏡（optical microscope）、X射線衍射儀（X-ray diffractometer）、超景深顯微鏡（Ultra-depth 3D microscope）對電沉積鎳后的Cu/Ni復(fù)合材料表面形貌、厚度、成分與結(jié)構(gòu)進行表征；采用光學(xué)顯微鏡、X射線衍射儀、X射線能量色譜儀、顯微共焦拉曼光譜儀對激光輻照生長石墨烯后的石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料表面進行形貌、成分含量、結(jié)構(gòu)、膜基結(jié)合情況進行表征，其中通過Raman測試譜線分析D、G、2D峰的相對強度，判斷激光輻照生長石墨烯涂層質(zhì)量，得到最優(yōu)的激光生長石墨烯工藝參數(shù).同時，為研究上述制備石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料的電工性能，采用維氏硬度儀（SVD-450TS）對樣品表面硬度進行測試，采用摩擦磨損試驗儀（MS-T3001）對樣品進行摩擦系數(shù)測試，采用直流電阻測試儀（TH2512）對樣品進行電阻測試并與國家標(biāo)準(zhǔn)進行對比，采用激光導(dǎo)熱儀（LFA467 HyperFlash）對符合樣品進行熱導(dǎo)率測試，采用馬弗爐（KSL-1100X）對樣品進行抗氧化性能測試.

2?結(jié)果與討論

2.1?鎳過渡層制備

采用電沉積鍍鎳法對紫銅基體進行鎳過渡層的制備，探索不同的電流大小及沉積時間對所制備鎳過渡層的影響，結(jié)果如圖3所示.電沉積鍍鎳法在紫銅基底上沉積Ni過渡層時改變沉積時間長短探索最優(yōu)的沉積Ni時間參數(shù)，如圖3（a）所示當(dāng)電沉積時間為90 s時所沉積的Ni過渡層有最高的（111）晶面峰值，最有利有生成（111）晶向生長的Ni過渡層.圖3（b）所示為改變電沉積過程中的電流大小所制備Ni過渡層樣品的XRD圖譜，在電沉積電流大小為5 mA時，可得到具有最高的（111）晶面峰值.電沉積過程中控制電沉積時間90 s、電流大小5 mA制備出1#及2#樣品，并對其進行表征分析，圖3（c）顯示了最優(yōu)電沉積參數(shù)下的XRD圖譜，可以看出，1#和2#樣品在（111）晶面的銅鎳合金衍射峰強度大，證明銅鎳合金物相含量多，其中最優(yōu)參數(shù)鎳過渡層的存在將有利于后續(xù)石墨烯的生長.

圖3（d）～（e）為1#的最優(yōu)參數(shù)鎳過渡層樣品的宏觀觀測及超景深三維顯微鏡圖，圖3（g）～（h）為2#的最優(yōu)參數(shù)鎳過渡層樣品的宏觀觀測及超景深三維顯微鏡圖，圖中可以得出最優(yōu)的電沉積參數(shù)下通過電沉積在體積大小為10 mm×10 mm×6 mm的銅基塊體材料表面成功制備出區(qū)域大小為10 mm×7 mm的鎳過渡層.圖3（e）及圖3（h）中觀測到制備的含Ni過渡層的樣品表面存在劃痕，由于電沉積過程為原子沉積，Ni過渡層劃痕方向與原始Cu基底劃痕方向保持一致.超景深三維顯微鏡圖3（f）和圖3（i）中觀測最優(yōu)參數(shù)下的電沉積過程所制備的1#樣品鎳過渡層厚度為25.46 μm，2#樣品鎳過渡層厚度為27.78 μm.

2.2?激光法制備石墨烯實驗結(jié)果

2.2.1?激光加工參數(shù)

為了得到最優(yōu)激光工藝生長條件下的石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料，在前期初探實驗基礎(chǔ)上研究了激光功率、脈沖寬度、掃描速度、加工次數(shù)和重復(fù)頻率對石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料制備的影響，其結(jié)果如圖4所示.圖4（a）～（b）顯示了激光功率從0.9 W逐漸增大到24 W對所生長石墨烯涂層的拉曼圖譜.拉曼圖譜顯示，隨著激光功率增大，石墨烯涂層的ID/IG數(shù)值呈增大趨勢，石墨烯的缺陷密度會隨著激光功率增大而增大，當(dāng)激光功率為1.5 W時，ID/IG為0.19最小值，此時缺陷密度最小.同時隨著激光功率增大，石墨烯涂層的I2D/IG數(shù)值整體呈先減小后增大趨勢，當(dāng)激光功率為1.5 W時，I2D/IG為0.52最大值，石墨烯層數(shù)最少，性能最好.因此，當(dāng)激光功率為1.5 W時，涂層表明形貌均勻，石墨烯缺陷密度小，層數(shù)少，質(zhì)量高，因此激光功率最優(yōu)參數(shù)選擇1.5 W.圖4（c）～（d）顯示了脈沖寬度從150 ns增大到350 ns對所生長石墨烯涂層的拉曼圖譜.拉曼圖譜顯示，隨著脈沖寬度增大，石墨烯涂層的ID/IG數(shù)值整體呈增大趨勢，石墨烯缺陷會隨著激光功率增大而增多.

當(dāng)脈沖寬度為150 ns時，ID/IG為0.39，數(shù)值最小，此時缺陷密度最小.同時隨著脈沖寬度增大，石墨烯涂層的I2D/IG數(shù)值整體呈先增大再減小后再增大趨勢.當(dāng)脈沖寬度為200 ns時，I2D/IG為0.85，數(shù)值最大，但是其ID/IG數(shù)值為0.9遠(yuǎn)大于0.39，此時石墨烯缺陷密度過大.當(dāng)脈沖寬度為150 ns時，I2D/IG為0.68，激光輻照生長的石墨烯層數(shù)少、質(zhì)量高，表面均勻，是最優(yōu)的脈沖寬度參數(shù).圖4（e）～（f）的結(jié)果是掃描速度不同對石墨烯涂層生長質(zhì)量的影響，隨著掃描速度增大，石墨烯涂層的ID/IG數(shù)值整體呈先減小后增大后減小的趨勢.當(dāng)掃描速度為10 mm/s時，ID/IG為0.11，數(shù)值最小，證明缺陷密度最小.同時隨著掃描速度增大，石墨烯涂層的I2D/IG數(shù)值整體呈減小趨勢.當(dāng)掃描速度為5 mm/s時，I2D/IG為0.68，數(shù)值最大，但是其ID/IG數(shù)值為0.4，大于0.11，表明石墨烯缺陷密度過大，當(dāng)掃描速度為10 mm/s時，I2D/IG為0.44，此時石墨烯層數(shù)少，質(zhì)量高，綜合考慮最優(yōu)的掃描速度為10 mm/s.隨加工次數(shù)從小到大的增加，本工作探索了激光加工次數(shù)為1、3、5、7次時輻照生長的石墨烯涂層質(zhì)量，拉曼表征結(jié)果如圖4（g）～（h）所示，結(jié)果表明，隨著加工次數(shù)越大，激光束能量和熱量積累越多，會導(dǎo)致激光原位生長石墨烯過程中石墨烯氧化程度嚴(yán)重，石墨烯涂層的ID/IG數(shù)值整體呈先減小后增大趨勢，當(dāng)加工次數(shù)為3次時，I2D/IG為0.32，證明石墨烯層數(shù)少，質(zhì)量高，激光加工3次是最優(yōu)的石墨烯制備參數(shù).

圖4（i）～（j）展示了重復(fù)頻率從100 KHz增加到300 KHz的激光加工樣品生長石墨烯質(zhì)量情況，重復(fù)頻率影響激光束能量大小，單位激光束能量越大生長的石墨烯涂層越容易被氧化導(dǎo)致性能損失，拉曼圖譜中表明隨著重復(fù)頻率增大，石墨烯涂層的ID/IG數(shù)值整體呈減小趨勢，表明石墨烯缺陷會隨著重復(fù)頻率增大而減少.當(dāng)重復(fù)頻率為250 KHz，時，ID/IG為0.39，數(shù)值最小，證明缺陷密度最小.同時隨著重復(fù)頻率增大，石墨烯涂層的I2D/IG數(shù)值整體呈先增大后減小趨勢.當(dāng)重復(fù)頻率為250 KHz時，I2D/IG為0.68，數(shù)值最大，證明石墨烯層數(shù)最少，性能最好.

2.2.2?最優(yōu)參數(shù)制備的石墨烯表征

根據(jù)前文所述，納秒激光制備石墨烯涂層時激光加工參數(shù)設(shè)置功率為1.5 W、脈寬150 ns、掃描速度10 mm/s、加工3 次、頻率250 KHz時，可生長出最優(yōu)品質(zhì)的石墨烯涂層.在此激光參數(shù)下制備的石墨烯薄膜樣品在高倍的掃描電子顯微鏡（SEM）進行形貌觀測，結(jié)果如圖5所示，1#、2#和3#（樣品參數(shù)均為最優(yōu)參數(shù)）三個大面積石墨烯涂層樣品在不同放大倍數(shù)掃描電子顯微鏡下結(jié)果表明樣品表面不同區(qū)域及不同樣品均有明顯的石墨烯褶皺出現(xiàn)，該參數(shù)下制備的石墨烯薄膜為多層石墨烯，涂層表面不平整，是由于在激光作用下，在熔覆過程中表面的金屬鎳、銅合金產(chǎn)生飛濺、熔化、氣孔等導(dǎo)致的.

圖6（a）顯示了最優(yōu)激光參數(shù)下制備的石墨烯薄膜XRD譜圖，通過衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)卡片比對，可以看出激光所制備的石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料樣品的衍射峰含碳物相與銅鎳合金物相.最優(yōu)參數(shù)加工的石墨烯薄膜拉曼圖譜與分析結(jié)果如圖6（b）及圖6（c）所示，由圖可知，在前文總結(jié)出的激光最優(yōu)參數(shù)下制備出的大面積石墨烯涂層樣品中，石墨烯涂層有明顯的2D峰，峰型尖銳，石墨烯結(jié)晶度高，譜線中各峰連續(xù)且氧化程度較低，最優(yōu)參數(shù)下樣品重復(fù)性優(yōu)異，表明本文所述制備工藝較為成熟.

在成功制備的復(fù)合樣品表面任取EDS表征區(qū)域如圖6（d）所示，該區(qū)域中C、O、Ni元素含量及分布展示在圖6（e）～（g）中，其中在EDS表征區(qū)域內(nèi)，C含量為98.73%，在區(qū)域內(nèi)均勻分布，分布程度規(guī)整；O元素含量為1.2%分布，表明該工藝參數(shù)下所制備的石墨烯氧化程度低.圖6（h）～（i）為激光最優(yōu)參數(shù)制備的大面積石墨烯樣品膜基結(jié)合力情況測試的光學(xué)顯微鏡圖，參照電子行業(yè)軍用標(biāo)準(zhǔn)SJ/T 20130-92確定石墨烯涂層的膜基結(jié)合情況，圖6（h）為涂層在200 ℃高溫及水浴保溫處理前形貌圖，可清晰看到大范圍均勻的黑色石墨烯區(qū)域，圖6（i）為涂層處理后的形貌圖，涂層黑色區(qū)域明顯減少，出現(xiàn)大片淺灰色區(qū)域，涂層有一定程度脫落，形貌結(jié)構(gòu)沒有較大程度破壞，表明該參數(shù)下制備的石墨烯薄膜與Ni/Cu合金基底膜基結(jié)合情況優(yōu)異.

2.3?石墨烯復(fù)合電觸頭材料表征及性能

2.3.1?復(fù)合電觸頭材料的力學(xué)特性

圖7展示的復(fù)合材料的硬度測試結(jié)果圖.圖7（a）顯示了紫銅、銅鎳合金層及復(fù)合材料的維氏硬度，采用SVD-450TS型顯微維氏硬度計進行測試.銅與銅鎳合金層的硬度接近，由于前期制備的鎳銅合金層平均厚度僅25～27 μm，合金樣品硬度變化幅度較小，復(fù)合電觸頭材料絕對硬度遠(yuǎn)高于前二者.圖7（b）為三者絕對硬度的平均值，其中紫銅為77.403 HV，銅鎳合金層75.821 HV，石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料為245.45 HV.

圖7（c）為三者的相對硬度，以紫銅硬度為H0用三者的絕對硬度數(shù)據(jù)除以H0，得到相對硬度.如圖7（d）所示，銅鎳合金硬度是紫銅的0.98倍，石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料是紫銅的3.17倍.表明石墨烯涂層大大提升紫銅硬度.銅合金觸頭材料在實際應(yīng)用中面對復(fù)雜工況時，受到外力作用易產(chǎn)生機械變形，影響觸頭材料使用壽命，而石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料硬度是原始紫銅的3.17倍，有效提升了其力學(xué)性能.

2.3.2?復(fù)合電觸頭材料的電學(xué)特性

圖8為復(fù)合材料的接觸電阻測試結(jié)果圖.圖8（a）為紫銅材料、銅鎳合金層以及石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料的接觸電阻阻值，可以看出三者的接觸電阻值均在波動后處于穩(wěn)定狀態(tài)，波動范圍不超過0.08 mΩ，測試穩(wěn)定性優(yōu)異.圖8（b）為紫銅材料、銅鎳合金層以及石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料的接觸電阻阻值的平均值，由圖可知紫銅材料平均阻值為0.086 mΩ，銅鎳合金層平均阻值為0.126 mΩ，添加鎳元素后材料電阻值有一定增加.石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料平均阻值為0.096 mΩ，石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料平均接觸電阻阻值介于紫銅材料與銅鎳合金之間，且穩(wěn)定性好，有利于觸頭材料穩(wěn)定性.整體上石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料電阻性能優(yōu)異，通電下可使觸頭材料熱量轉(zhuǎn)化減少，提高石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料的電學(xué)性能，且電阻阻值符合國家標(biāo)準(zhǔn)，與銅合金觸頭材料電阻差距在5%以內(nèi)，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).

2.3.3?復(fù)合電觸頭材料的摩擦性能

圖9顯示了石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料的摩擦系數(shù)測試結(jié)果，分別對紫銅材料、銅鎳合金層以及石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料進行旋轉(zhuǎn)摩擦實驗，測試總時長30 min.其中紫銅的摩擦系數(shù)最大，平均值為0.095 2.經(jīng)電沉積鍍鎳制備的銅鎳合金層摩擦系數(shù)平均值為0.105 8，由于電沉積的鎳過渡層厚度僅為微米級別對摩擦系數(shù)影響很小，所以銅鎳合金層與銅基材料相比相差很小.

石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料表面含有激光制備的大面積石墨烯涂層，其平均摩擦系數(shù)最小，為0.083 7.由圖9可以看出，激光法原位生長所制備的石墨烯涂層摩擦系數(shù)在測試7 min左右時增大，增大之前平均值為0.072 8，增大之后摩擦系數(shù)平均值為0.094 6，與紫銅材料接近.這是由于在測試過程中，隨著對偶球在石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料石墨烯涂層表面不停旋轉(zhuǎn)摩擦，在7 min左右穿透石墨烯涂層，起潤滑性能的石墨烯涂層破損失效，導(dǎo)致后續(xù)摩擦系數(shù)測試結(jié)果與紫銅材料摩擦測試結(jié)果操持一致.摩擦系數(shù)曲線整體表明最優(yōu)激光加工參數(shù)下制備的大面積石墨烯涂層較薄，但石墨烯/Ni/Cu復(fù)合電觸頭材料的潤滑性有一定程度提升.

2.3.4?復(fù)合電觸頭材料的熱導(dǎo)率

圖10展示了石墨烯/Ni/Cu電觸頭復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能測試結(jié)果圖.圖10（a）為石墨烯/Ni/Cu電觸頭復(fù)合材料的熱擴散系數(shù)，使用激光熱導(dǎo)儀測得出具體數(shù)值，溫度變量為50 w，每個溫度得到3個熱擴散系數(shù)，隨著溫度的升高熱擴散系數(shù)減小.圖10（b）為石墨烯/Ni/Cu電觸頭復(fù)合材料的熱擴散系數(shù)平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在500 ℃時為95 mm2/s.通過阿基米德排水法在實驗室實測得石墨烯/Ni/Cu電觸頭復(fù)合材料密度為8.809 g/cm3.根據(jù)λ=α·ρ·c可以計算出導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）λ（W/（m·K））.公式中，α為熱擴散系數(shù)（m2/s），ρ為密度（Kg/m3），c為比熱容J/（Kg·K），石墨烯的比熱容為1.4×103 J/（Kg·K）.

圖10（c）為石墨烯/Ni/Cu電觸頭復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，隨著溫度升高導(dǎo)熱系數(shù)減小，圖10（d）顯示了石墨烯/Ni/Cu電觸頭復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果表明，在500 ℃時石墨烯/Ni/Cu電觸頭復(fù)合材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)為1 178 W/（m·K），純銅的導(dǎo)熱系數(shù)在500 ℃時為340 W/（m·K）.石墨烯/Ni/Cu電觸頭復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為銅的3.43倍，石墨烯/Ni/Cu電觸頭復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能有明顯提升，可顯著改善銅合金觸頭材料在實際應(yīng)用過程中受到較高焦耳熱作用時極易被燒蝕產(chǎn)生機械變形導(dǎo)致的使用壽命低問題，可有效提升觸頭的熱學(xué)性能.

2.3.5?復(fù)合電觸頭材料的抗氧化特性

由于電觸頭在實際工況中應(yīng)用時，開關(guān)處于頻繁的接通、斷開過程，會產(chǎn)生高熱量，觸頭材料對其在高溫下的抗氧化性提出了更高的要求，為了研究石墨烯/Ni/Cu電觸頭復(fù)合材料的抗氧化特性，采用氧化失重法計算石墨烯/Ni/Cu電觸頭復(fù)合材料的失重率w%，計算公式如下所示：

式（1）中：m1為初始石墨烯/Ni/Cu電觸頭復(fù)合材料的質(zhì)量5.215 0 g，m2為氧化處理后石墨烯/Ni/Cu電觸頭復(fù)合材料的質(zhì)量5.207 4g，失重率僅為0.14%，表明石墨烯/Ni/Cu電觸頭復(fù)合材料在高溫下氧化失重占比很小，符合預(yù)期結(jié)果.

圖11（a）為氧化處理前P點C元素含量為98.88%，O為0.79%，Cu為0.19%.圖11（b）為氧化處理后P′點C元素含量為71.08%，O為6.22%，Cu為22.7%.氧化處理結(jié)果表明，經(jīng)過高溫氧化處理后，石墨烯/Ni/Cu電觸頭復(fù)合材料C元素含量下降約27%，O元素含量上升約6%，Cu元素含量上升22.5%，同時在高溫下厚層石墨烯涂層有脫落成為薄層石墨烯，使得紫銅基底有部分區(qū)域露出，石墨烯/Ni/Cu電觸頭復(fù)合材料有一定程度氧化，但氧化程度較小，在500 ℃下表現(xiàn)良好，有利于提升銅基觸頭材料抗氧化性.

3?結(jié)論

本文采用電沉積技術(shù)，通過外接電源控制電流大小5 mA、沉積90 s 后成功在紫銅表面引入平均厚度為25～27 μm的鎳過渡層，在該參數(shù)下沉積的鎳過渡層為（111）晶面，為六方密堆積，有利于后續(xù)石墨烯的生長.激光加工技術(shù)成功在鎳過渡層表面旋涂覆蓋石墨后制備大面積石墨烯涂層，激光輻照生長石墨烯薄膜的最優(yōu)參數(shù)為：激光功率1.5 W，脈寬150 ns，掃描速度10 mm/s，加工3 次，頻率250 KHz.

本工作所制備的石墨烯/Ni/Cu復(fù)合觸頭材料硬度為245.45 HV，是紫銅的3.17倍；接觸電阻0.096 mΩ符合國家標(biāo)準(zhǔn)；摩擦系數(shù)0.083 7，是紫銅的0.73倍；500 ℃時復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)為1 178 W/（m·K），是紫銅的3.43倍.同時復(fù)合材料具有良好的抗氧化性能和強的膜基結(jié)合力，以上結(jié)果表明所制備的復(fù)合材料具有優(yōu)異的電工特性，有良好的應(yīng)用前景.本工作同時為石墨烯/銅新型復(fù)合觸頭領(lǐng)域提供了實驗基礎(chǔ)和理論解釋，為新型銅合金觸頭的制備提供了新的思路和實驗基礎(chǔ).

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【責(zé)任編輯：蔣亞儒】

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（61705125）

作者簡介：呂通發(fā)（1980—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，高級工程師，研究方向：電網(wǎng)運檢、觸頭材料