通过超声波喷雾热解制造的强化CuCr电接触材料

通过超声波喷雾热解制造的强化CuCr电接触材料 – 上海瀚翎

在输电网络与断路器设备中，铜基电接触材料是保障电路通断、维系电力系统稳定运行的核心构件。设备长期运行过程中，频繁通断产生的高压、高温电弧会持续侵蚀电接触表面，引发金属熔融、蒸发、飞溅等损伤，造成接触面质量劣化，最终导致电接触失效、设备使用寿命大幅缩短。因此，改善铜基触头材料的耐电弧侵蚀性能、提升表面抗熔焊能力，是高性能电接触材料研发的核心课题。

目前，Cu-W、Cu-Cr等铜基合金凭借优异的导电导热性能，已广泛应用于工业断路器中。现有研究多通过掺杂合金元素优化触头性能，可适配中低压工况，但该方式易引发材料成分偏析，大幅降低基体导电性，存在明显性能短板。随着复合材料技术的发展，颗粒增强金属基复合材料成为改良电接触性能的主流方向，二氧化锡、氧化铝、硼化钛等陶瓷颗粒均被证实可优化触头结构、减少电弧侵蚀与材料转移，但这类增强相导电导热性能较差，难以兼顾材料电学与力学性能。

碳基增强材料具备优异的导电、导热特性，完美契合电接触材料的性能需求，成为铜基触头改性的研究热点。现有研究证实，碳纳米管、氧化石墨烯等碳基材料可有效提升铜基复合材料的硬度、抗拉强度与抗熔焊性能，但碳基材料易团聚的问题会反向降低材料综合性能，且碳基材料缓解电弧侵蚀累积损伤、提升耐蚀性能的作用机制，仍缺乏系统、完整的研究阐述。

本文采用超声喷雾热解结合粉末冶金、热挤压工艺，成功制备出分散均匀的1%碳纳米管（CNTs）/Cu5Cr复合电接触材料，并系统探究其耐电弧侵蚀机理与电接触性能。实验所用原料为高纯度电解铜粉、机械破碎铬粉及多壁碳纳米管，超声喷雾热解工艺有效破解了碳纳米管团聚难题，实现其在基体中的单分散均匀分布，铜颗粒可有效包覆碳纳米管表面，削弱分子间作用力，进一步提升分散效果。

性能测试结果表明，碳纳米管的引入可优化触头电弧侵蚀后的表面形貌，促使基体形成完整平整的熔池结构，有效消除金属凝固过程中产生的孔隙、裂纹等缺陷，保障接触面平整光滑。电接触对比试验显示，相较于纯Cu5Cr材料，1%CNTs/Cu5Cr复合触头的电弧强度与熔焊力显著降低，使用寿命提升一倍，充分证明碳纳米管可有效分散、弱化电弧能量，抑制电弧集中侵蚀。同时，该复合材料展现出优良的机电综合性能，抗拉强度达356MPa，导电率可达49MS/m，实现了力学性能与电学性能的协同提升。

综上，超声喷雾热解复合粉末冶金工艺可实现碳纳米管的均匀分散，其通过规整熔池形貌、消除凝固缺陷、分散弱化电弧三重机制，显著提升铜铬基触头的耐电弧侵蚀性能。本研究明晰了碳基增强相的改性机理，为高性能铜基电接触材料的研发与工程应用提供了可靠的技术思路与理论支撑，对延长电力触头使用寿命、保障电力设备安全稳定运行具有重要的工程价值。

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