石墨烯包裹铜粉，电接触材料硬度提升25%，磨损率降低 67%，电寿命提升

之江实验室张亮等在Electronics上的一篇论文《石墨烯增强铜基高压直流电接触材料的制备与性能研究》采取化学气相沉积法在铜基材料中添加石墨烯包裹铜粉的方式，制备了一种复合材料，该复合材料在耐摩擦、抗氧化和耐腐蚀方面表现出卓越的性能。

一、研究背景与问题

1. 高压直流接触器对电接触材料的力学、抗电弧烧蚀、导电导热性能要求严苛，传统铜铬、铜钨、无氧铜材料均存在性能短板。

2. 石墨烯是理想的铜基增强填料，但碳 / 金属体系润湿性差导致其在铜基中易团聚、分散不均，且传统混合法制备的复合材料常出现导电性下降问题。

3. 亟需开发一种能实现石墨烯均匀分散、同时兼顾铜基复合材料力学与电学性能的制备方法。

二、核心创新点

1. 制备工艺创新：采用化学气相沉积法，在铜粉表面原位生长石墨烯，无抗烧结剂添加，结合粉末冶金工艺形成泡沫铜 / 石墨烯前驱体，最终制得高密度复合材料。

2. 结构创新：成功在铜基体内构建连续的三维石墨烯互连网络，从结构上解决了石墨烯分散难题，同时提升了界面结合力。

3. 性能突破：实现了铜基复合材料力学性能与导电 / 导热性能的协同提升，突破了传统合金 “此消彼长” 的性能局限。

三、关键实验结果

1. 微观结构

石墨烯在铜粉表面均匀生长，为多层结构、缺陷少，形成完整的三维互连网络；铜粉粒径无明显变化，表面更光滑。

2. 力学与摩擦学性能

• 抗拉强度提升，硬度从 56HB（无氧铜）提升至 70HB，延展性略有下降；
• 摩擦系数降低 38%、磨损率降低 67%，石墨烯滑移面显著抑制粘着磨损，耐磨性能大幅提升。

3. 热学与电学性能

1. 导电、导热性能较无氧铜略有改善，三维石墨烯网络为电子和热量传输提供高效通道；

2. 400-800℃抗氧化性显著提升，热膨胀系数大幅降低，石墨烯网络起到阻氧和限制铜热膨胀的作用。

4. 电接触核心性能：400V、750V 下电寿命远长于无氧铜，耐电弧烧蚀性优异；电弧击穿后表面烧蚀程度轻，无明显的大面积损伤。

四、制备工艺优势

1. 相比传统粉末混合法，CVD 化学气相沉积法原位生长能制备结晶度高的石墨烯薄膜，解决均匀性问题，提升界面结合力。

2. 相比添加隔离剂的 CVD 化学气相沉积法工艺，本方法无需酸洗等后处理，降低生产成本，工艺更简化。

3. 粉末冶金 + 热挤压的成型工艺使复合材料致密度高，且工艺可扩展性强，适合工业化生产。

五、研究意义与应用前景

1. 为石墨烯增强金属基复合材料的制备提供了新的工艺思路，解决了石墨烯在金属基中分散的关键技术难题。

2. 所制 Cu/Gr (铜/石墨烯）复合材料成为高压直流电接触材料的优质替代品，弥补了传统材料的性能短板。

3. 材料在电动汽车直流快充、高压直流开关等领域具有重要应用价值，制备工艺成本低、稳定性高，市场潜力巨大。

重要图表：

石墨烯原位生长及微观结构表征

1. 核心内容：展示了 CVD 法在铜粉表面原位生长石墨烯的工艺流程图、泡沫铜 / 石墨烯实物图、刻蚀后石墨烯三维网络、铜粉与复合材料的 SEM 图、石墨烯晶体结构及样品不同位置的拉曼光谱。

2. 关键结论：石墨烯在铜粉表面均匀生长，形成完整三维网络；拉曼光谱 D 峰强度低，石墨烯缺陷少，样品上、中、下部位石墨烯层数均匀，生长稳定性好。

Cu/Gr 复合材料与无氧铜的性能对比

1. 核心内容：包含拉伸应力 – 应变曲线、摩擦系数随时间变化、磨损率、导电 / 导热性能、TG/DTG 热重分析、热膨胀系数六大性能对比图。
2. 关键结论：复合材料抗拉强度、耐磨、抗氧化性提升，导电导热性略有改善，热膨胀系数显著降低；原位生长法制备的复合材料性能远优于传统混合法。

电接触材料的电寿命及电弧击穿后表面形貌

1. 核心内容：展示了 Cu/Gr 复合材料制静动接触件实物、400V/750V 下的电寿命统计、以及两种材料电弧击穿后的 SEM 图和三维表面形貌。

2. 关键结论：复合材料在 400V 和 750V 下电寿命远长于无氧铜；电弧击穿后表面更平整，烧蚀坑更小更孤立，耐电弧烧蚀性优异。

文献标题：Preparation and Properties of Graphene Reinforced Copper Electrical Contact Materials for High-Voltage Direct Current Electrical Contacts

原文链接：https://doi.org/10.3390/electronics13010053