＊王建才 裴鋒 田旭 馬光 賈蕗璐 葉志國(guó)*

（1.南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 江西 310063 2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院 江西 330096 3.國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司 北京 102211）

戶外高壓隔離開關(guān)是一種在電網(wǎng)系統(tǒng)中起到導(dǎo)通電流作用的裝置，電觸頭是其核心部件。由于其長(zhǎng)期服役于戶外惡劣的嚴(yán)酷環(huán)境，在大電流運(yùn)行時(shí)伴隨著電弧燒傷及電化學(xué)腐蝕行為[1]。因此為保證電觸頭保持較高的耐蝕性和導(dǎo)電性，在工業(yè)制備高壓隔離開關(guān)電觸頭時(shí)常常對(duì)其進(jìn)行鍍銀處理[2]。但是高頻次的分合閘操作容易引起高壓隔離開關(guān)表面鍍銀層磨損甚至脫落，使純銅基體暴露在戶外，極易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重威脅到電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行[3]。因此，制備一種復(fù)合鍍層在保證電觸頭具有優(yōu)異導(dǎo)電性的同時(shí)還能兼顧耐蝕性和耐磨性就顯得至關(guān)重要。研究表明，雖然電觸頭采用銀石墨烯復(fù)合鍍可以降低其平均摩擦因數(shù)和磨損率，但是這些研究只是從石墨烯高導(dǎo)電和高強(qiáng)度的性能出發(fā)改善鍍層，隨著鍍液中的石墨烯含量增加，鍍層中的碳含量很難獲得增加，限制了其磨損性能、耐蝕性和抗燒蝕性能的進(jìn)一步提高。

本工作在KI體系下，確定鍍液石墨烯含量為2g·L-1，通過改變鍍液中石墨的含量，研究了不同石墨含量對(duì)復(fù)合鍍層的硬度、耐磨性、熱導(dǎo)率的影響，并進(jìn)行了對(duì)比分析。

1.試驗(yàn)部分

(1)試驗(yàn)試劑

電鍍陽極板采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.99%的電鍍專用銀板，硝酸銀（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.8%），碘化鉀（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98.5%），石墨烯（＜10層碳原子），天然高純鱗片石墨（平均顆粒尺寸＜3μm）。

(2)試驗(yàn)儀器

電化學(xué)工作站（Parstat 2273），維氏顯微硬度計(jì)（HX-1000TM），激光導(dǎo)熱儀（NETZSCH LFA447），摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（WTE-2E），場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（Nova Nano SEM450），X射線衍射儀（D8ADVANCE-A25）。

(3)鍍層的制備工藝與性能測(cè)試

鍍液使用磁力攪拌器攪拌，速度為1500r·min-1,電流密度為0.35mA·cm-2，溫度為室溫。純銀鍍液以硝酸銀和碘化鉀為主，硝酸銀質(zhì)量濃度為30g·L-1，碘化鉀質(zhì)量濃度為300g·L-1。復(fù)合鍍液中，石墨烯添加量為2g·L-1，石墨添加量為10～50g·L-1。

(4)性能測(cè)試

顯微硬度測(cè)試：測(cè)試壓力1.96N，保壓時(shí)間15s；耐磨性能測(cè)試：磨球使用Ф4mm的GCr15鋼球，載荷280g，轉(zhuǎn)速300r·min-1，摩擦直徑6mm，磨損時(shí)長(zhǎng)1h。

2.結(jié)果與討論

圖1為不同石墨含量鍍液的銀/石墨/石墨烯復(fù)合鍍層XRD。從圖中可以看到，五種不同石墨含量鍍液制備的鍍層特征峰相一致，三強(qiáng)峰都在38.1°、64.5°、77.4°出現(xiàn)了衍射峰，分別對(duì)應(yīng)銀（111）（220）（311）三個(gè)晶面。當(dāng)石墨含量在10～30g·L-1時(shí)，2θ在26.6°出現(xiàn)微弱的碳特征衍射峰，鍍液石墨含量為30g·L-1時(shí)衍射峰強(qiáng)度最強(qiáng)。石墨含量增加為40g·L-1、50g·L-1時(shí)，未出現(xiàn)碳的特征峰，可能因?yàn)槭珴舛冗^大時(shí)，鍍液中石墨分散不太均勻，鍍液不穩(wěn)定，致使在復(fù)合鍍時(shí)鍍層中石墨進(jìn)入量又相對(duì)減少。圖2為復(fù)合鍍層截面形貌和石墨烯拉曼光譜，由圖2（a）～（e）可以看到石墨顆粒分散在純銀鍍層中，當(dāng)鍍液石墨含量為30g·L-1時(shí)，石墨在復(fù)合鍍層中分布最致密，與XRD分析結(jié)果一致；圖2（f）為鍍液中石墨烯的拉曼光譜，特征峰D峰比較明顯，說明該石墨烯結(jié)構(gòu)存在缺陷；2D峰尖銳、強(qiáng)度高但又不是完美的單洛倫茲峰，說明該石墨烯層數(shù)較少但大于單層。圖3為純銀鍍層和銀/石墨/石墨烯復(fù)合鍍層表面形貌。由圖3可以看到，復(fù)合鍍層較純銀鍍層晶粒發(fā)生細(xì)化，片層石墨烯夾雜在銀顆粒之間與銀共沉積到鍍層中，由于鍍液中石墨烯含量較少，石墨烯又難溶于鍍液，復(fù)合鍍層石墨烯分布較少。

圖4為不同石墨含量鍍液制備的銀/石墨/石墨烯復(fù)合鍍層表面硬度。由圖4可知，隨著石墨含量的增加，復(fù)合鍍層表面硬度先增大后減小。石墨含量為30g·L-1復(fù)合鍍層的硬度為135.3HV，較10g·L-1提高了13%，40g·L-1、50g·L-1鍍層表面硬度較10g·L-1有所下降，但兩者相差不大。主要是因?yàn)榧尤胧褪┑腻円航?jīng)過電磁攪拌，在電場(chǎng)力和機(jī)械攪拌動(dòng)力的作用下，石墨烯和石墨吸附鍍液中的銀離子，聚集在陰極表面，并被析出的銀單質(zhì)包裹、覆蓋，最終鑲嵌在鍍層中[6]。而石墨烯本身具有高強(qiáng)度，當(dāng)石墨烯含量為2g·L-1，石墨含量為30g·L-1時(shí)，金屬鍍層中石墨烯和石墨顆粒彌散分布最為均勻，可以更有效地阻礙晶粒的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和塑性流動(dòng)，從而產(chǎn)生彌散強(qiáng)化，使鍍層硬度得到提升。在40g·L-1、50g·L-1石墨含量鍍層中由于鍍液石墨含量較高，表面在電沉積過程中吸附了少量的石墨顆粒，當(dāng)硬度計(jì)的壓頭壓入復(fù)合鍍層時(shí)，顯微硬度計(jì)壓在表面吸附的石墨顆粒上，而石墨本身較軟，從而降低了鍍層表面硬度值。

圖5為不同石墨含量鍍液制備的銀/石墨/石墨烯復(fù)合鍍層耐磨性測(cè)試。由圖5（a）可知，不同石墨濃度的復(fù)合鍍層在磨損初期都有一段不穩(wěn)定的磨合期，摩擦因數(shù)波動(dòng)較大。30g·L-1和50g·L-1復(fù)合鍍層磨合期較短，約為5min。50g·L-1復(fù)合鍍層摩擦因數(shù)隨時(shí)間先增大后減小最后趨于穩(wěn)定，其余石墨含量的復(fù)合鍍層經(jīng)歷磨合期后都逐漸趨于穩(wěn)定。由圖5（b）可知，復(fù)合鍍層平均摩擦因數(shù)隨鍍液中石墨含量的增大，先減小后增大，當(dāng)石墨含量為30g·L-1時(shí)，復(fù)合鍍層摩擦因數(shù)為0.245，在所有鍍層中最低。圖5（c）和5（d）反映了不同鍍層磨損率和平均磨痕寬度。由圖可知，隨著石墨含量的增加，復(fù)合鍍層磨損率和平均磨痕寬度先減小后增大。當(dāng)石墨含量為30g·L-1時(shí)，復(fù)合鍍層磨損率和平均磨痕寬度分別達(dá)到最低為2.96×10-4mg·m-1·N-1和0.107mm。圖6為摩擦磨損后鍍層形貌圖。由圖可以看到，純銀鍍層因載荷的作用力和疲勞產(chǎn)生的循環(huán)接觸應(yīng)力，在磨痕邊緣擠壓出層狀的剝落碎屑，部分地方出現(xiàn)銅基體裸露現(xiàn)象。隨著鍍層中石墨烯和石墨的加入，10g·L-1石墨含量復(fù)合鍍層較純銀鍍層剝落現(xiàn)象有所減緩，當(dāng)石墨含量增大至30g·L-1時(shí)，磨痕周圍的組織較為完整，中間部位犁溝較淺，表面沒有發(fā)生磨穿現(xiàn)象，磨損機(jī)理以黏著磨損為主。繼續(xù)增大鍍液石墨含量到40g·L-1和50g·L-1時(shí)，表面又出現(xiàn)了明顯的魚鱗狀溝壑，主要因?yàn)槭窟^大時(shí)，電沉積過程中過多的石墨顆粒使鍍層孔隙率增大，降低了鍍層致密性。通過對(duì)比不同鍍液石墨含量的復(fù)合鍍層和純銀層的平均摩擦因數(shù)、磨損率、平均磨痕寬度，可以得出，石墨烯和石墨的加入改善了鍍層的耐磨性，有效地延長(zhǎng)了高壓隔離開關(guān)的使用壽命。

圖7為不同石墨含量鍍液制備的銀/石墨/石墨烯復(fù)合鍍層熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線。從圖中可以看到，鍍液石墨含量為10～30g·L-1時(shí)，不同溫度下的熱導(dǎo)率均大于純銀鍍層。當(dāng)石墨含量為30g·L-1時(shí)，熱導(dǎo)率達(dá)到最大，25℃時(shí)為370.8 W·m-1·k-1，較純銀鍍層提高了6.7%，105℃時(shí)為360.9 W·m-1·k-1，較純銀提高了8.7%。繼續(xù)增加石墨含量到40g·L-1、50g·L-1時(shí)，復(fù)合鍍層的熱導(dǎo)率又低于純銀鍍層，主要是因?yàn)榧兘饘偈且宰杂呻娮訛閭鳠彷d體，非金屬的傳熱載體為聲子，石墨烯和石墨在銀層中分布不同時(shí)，所形成的幾何界面對(duì)導(dǎo)熱方向上聲子與電子的散射面積不相同，散射面積越小，熱導(dǎo)率越好。而石墨烯作為單層碳原子晶體，其碳碳之間的共價(jià)鍵強(qiáng)，可顯著削弱晶界處聲子的邊界散射。對(duì)于鱗片石墨，因其具有層狀結(jié)構(gòu)，沿著層片方向?qū)崧室卜浅８?。因此，?dāng)石墨烯和石墨在鍍層中均勻分布時(shí)，可以顯著提高鍍層熱導(dǎo)率。但是當(dāng)石墨添加量過多時(shí)，鍍層孔隙率增大，散射面積增加，從而降低了復(fù)合鍍層熱導(dǎo)率。

3.結(jié)論

（1）在石墨烯用量為石墨烯含量為2g·L-1時(shí)，隨著鍍液中石墨含量的增加，銀/石墨/石墨烯復(fù)合鍍層內(nèi)石墨含量增加，石墨含量為30g·L-1時(shí)，鍍層內(nèi)石墨含量最高且分散均勻。

（2）在石墨烯用量為石墨烯含量為2g·L-1時(shí)，鍍液中石墨濃度不同，對(duì)制備的鍍層性能有所影響。當(dāng)石墨濃度為30g·L-1時(shí)，復(fù)合鍍層表面硬度、熱導(dǎo)率達(dá)到最大，分別為135.3HV、370.8W·m-1·k-1（25℃），平均摩擦因數(shù)降到最低為0.245，綜合性能最好。