RGO/Cu-Zr-La电触头材料的组织、性能及制备工艺优化研究

摘要

传统的低压电触头材料主要为银合金材料，其不仅昂贵且易消耗殆尽。由于铜及铜合金材料具有优异的导电、导热及延展性，成为了替代银基电触头的首选材料，然而铜及铜合金因室温强度低和抗氧化腐蚀性差，限制了其更广泛的应用。因此本文采用复压复烧法制备铜合金电触头材料，研究了合金元素Zr、La和氧化石墨烯协同改性铜合金触头材料的作用机制；探究了不同氧化石墨烯添加量对RGO/Cu-Zr-La触头材料组织与性能的影响；最后采用正交试验探究了工艺参数对RGO/Cu-Zr-La触头材料组织与性能的影响规律，得出以下结论： 首先研究了氧化石墨烯、合金元素Zr和稀土元素La对RGO/Cu-Zr-La触头材料微观组织与性能的影响。结果表明，氧化石墨烯和Zr元素存在于晶界处，起到钉扎晶界阻碍其运动的作用。在细晶强化和Orowan机制所引起的位错强化联合作用下，经氧化石墨烯、合金元素Zr、La协同改性的RGO/Cu-Zr-La电触头材料硬度和强度都有很大的提高，与纯铜相比，其增幅分别达到了51.5%和27.1%。同时，研究发现活性更大的稀土元素La比Cu原子更容易发生氧化从而抑制了氧扩散到铜基体中的速率；而且还原氧化石墨烯也起到保护屏障的作用，所以RGO/Cu-Zr-La触头材料的抗氧化性能得到了改善。 其次探究了氧化石墨烯添加量（0.3 wt.%、0.5 wt.%、1.0 wt.%、1.5wt.%）对RGO/Cu-Zr-La电触头材料组织与性能的影响。氧化石墨烯添加量的提高后，RGO/Cu-Zr-La触头材料的相对密度和电导率下降，在添加量为0.3 wt.%时达到最大值分别为99.42%和90.8 IACS。当氧化石墨烯添量超过0.5wt.%时，还原氧化石墨烯易团聚于晶界处，铜晶粒间的结合强度下降，降低材料的致密化程度使得材料的硬度下降，其中0.5 wt.%RGO/Cu-Zr-La触头材料显微硬度最高为92.1 HV。而氧化石墨烯含量较少时与铜基体形成较好的界面结合，使得载荷可从铜基体有效地传递到高强度的还原氧化石墨烯上，提高了铜合金材料的强度；其中0.5 wt.%RGO/Cu-Zr-La触头材料的抗拉强度最大，为229.1 MPa。氧化石墨烯含量逐渐增大后，它的团聚程度增加使得1.5 wt.%RGO/Cu-Zr-La触头材料的断后伸长率相比于0.3 wt.%RGO/Cu-Zr-La下降幅度达60.7%。 最后采用正交试验设计优化了RGO/Cu-Zr-La电触头材料的复压复烧制备工艺参数。结果表明，复压压力对RGO/Cu-Zr-La触头材料相对密度影响最为显著，是制备优异性能材料的关键工艺；初烧温度对RGO/Cu-Zr-La触头材料电导率影响显著，所以初烧温度的选取是影响材料导电性能的主要因素；复烧温度主要是起到了消除材料的加工硬化和均匀化组织的作用；适宜的初压压力可以使粉体压坯紧实烧结过后合金化程度提高。通过综分析各因素对RGO/Cu-Zr-La触头材料性能的影响效果后，得到了0.5 wt.%RGO/Cu-Zr-La电触头材料最佳制备工艺参数为初次制坯压力400 MPa，初次烧结温度1000℃，选取复压压力为1000 MPa，复烧处理温度850℃。与普通工艺制备的0.5 wt.%RGO/Cu-Zr-La复合材料相比，最优工艺制得的复合材料抗拉强度和伸长率为239.3 MPa和26.4%，分别提高了4.5%和42.7%。

目录

第1章 绪论

1.1 电触头材料的概述及发展

1.2 常用的触头材料

1.3 电触头材料的制备工艺

1.4 石墨烯简介

1.5 合金元素Zr和La在铜或铜合金中的应用研究

1.6 本文研究目的、意义和内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

2.3 微观组织分析

2.4 性能检测

2.5 制备流程

第3章 合金元素和GO的添加对RGO/Cu-Zr-La触头材料组织与性能的影响

3.1 引言

3.2 原材料的表征

3.3 电触头材料的显微组织

3.4 相对密度试验分析

3.5 导电性能试验分析

3.6 显微硬度试验分析

3.7 拉伸性能试验分析

3.8 抗氧化性能试验分析

3.9 本章小结

第4章 不同GO添加量对RGO/Cu-Zr-La触头材料组织与性能的影响

4.1 引言

4.2 微观组织观察

4.3 对相对密度的影响分析

4.4 对导电性能的影响分析

4.5 对显微硬度的影响分析

4.6 对拉伸性能的影响分析

4.7本章小结

第5章 制备工艺参数对RGO/Cu-Zr-La触头材料组织与性能的影响

5.1 引言

5.2 正交实验设计

5.3 正交实验结果分析

5.4 验证实验

5.5 本章小结

第6章 结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢

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