戶外高壓隔離開關用電接觸銀/石墨/石墨烯復合鍍層的制備與性能研究

＊王建才 裴鋒 田旭 馬光 賈蕗璐 葉志國*

（1.南昌航空大學 材料科學與工程學院 江西 310063 2.國網江西省電力有限公司電力科學研究院 江西 330096 3.國網智能電網研究院有限公司 北京 102211）

戶外高壓隔離開關是一種在電網系統(tǒng)中起到導通電流作用的裝置，電觸頭是其核心部件。由于其長期服役于戶外惡劣的嚴酷環(huán)境，在大電流運行時伴隨著電弧燒傷及電化學腐蝕行為[1]。因此為保證電觸頭保持較高的耐蝕性和導電性，在工業(yè)制備高壓隔離開關電觸頭時常常對其進行鍍銀處理[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)生電化學腐蝕，嚴重威脅到電網系統(tǒng)的安全運行[3]。因此，制備一種復合鍍層在保證電觸頭具有優(yōu)異導電性的同時還能兼顧耐蝕性和耐磨性就顯得至關重要。研究表明，雖然電觸頭采用銀石墨烯復合鍍可以降低其平均摩擦因數和磨損率，但是這些研究只是從石墨烯高導電和高強度的性能出發(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復合鍍層的硬度、耐磨性、熱導率的影響，并進行了對比分析。

1.試驗部分

(1)試驗試劑

電鍍陽極板采用質量分數為99.99%的電鍍專用銀板，硝酸銀（質量分數≥99.8%），碘化鉀（質量分數≥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)試驗儀器

電化學工作站（Parstat 2273），維氏顯微硬度計（HX-1000TM），激光導熱儀（NETZSCH LFA447），摩擦磨損試驗機（WTE-2E），場發(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，硝酸銀質量濃度為30g·L-1，碘化鉀質量濃度為300g·L-1。復合鍍液中，石墨烯添加量為2g·L-1，石墨添加量為10～50g·L-1。

(4)性能測試

顯微硬度測試：測試壓力1.96N，保壓時間15s；耐磨性能測試：磨球使用Ф4mm的GCr15鋼球，載荷280g，轉速300r·min-1，摩擦直徑6mm，磨損時長1h。

2.結果與討論

圖1為不同石墨含量鍍液的銀/石墨/石墨烯復合鍍層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，三強峰都在38.1°、64.5°、77.4°出現了衍射峰，分別對應銀（111）（220）（311）三個晶面。當石墨含量在10～30g·L-1時，2θ在26.6°出現微弱的碳特征衍射峰，鍍液石墨含量為30g·L-1時衍射峰強度最強。石墨含量增加為40g·L-1、50g·L-1時，未出現碳的特征峰，可能因為石墨濃度過大時，鍍液中石墨分散不太均勻，鍍液不穩(wěn)定，致使在復合鍍時鍍層中石墨進入量又相對減少。圖2為復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，當鍍液石墨含量為30g·L-1時，石墨在復合鍍層中分布最致密，與XRD分析結果一致；圖2（f）為鍍液中石墨烯的拉曼光譜，特征峰D峰比較明顯，說明該石墨烯結構存在缺陷；2D峰尖銳、強度高但又不是完美的單洛倫茲峰，說明該石墨烯層數較少但大于單層。圖3為純銀鍍層和銀/石墨/石墨烯復合鍍層表面形貌。由圖3可以看到，復合鍍層較純銀鍍層晶粒發(fā)生細化，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/石墨烯復合鍍層表面硬度。由圖4可知，隨著石墨含量的增加，復合鍍層表面硬度先增大后減小。石墨含量為30g·L-1復合鍍層的硬度為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。主要是因為加入石墨和石墨烯的鍍液經過電磁攪拌，在電場力和機械攪拌動力的作用下，石墨烯和石墨吸附鍍液中的銀離子，聚集在陰極表面，并被析出的銀單質包裹、覆蓋，最終鑲嵌在鍍層中[6]。而石墨烯本身具有高強度，當石墨烯含量為2g·L-1，石墨含量為30g·L-1時，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運動和塑性流動，從而產生彌散強化，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，當硬度計的壓頭壓入復合鍍層時，顯微硬度計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/石墨烯復合鍍層耐磨性測試。由圖5（a）可知，不同石墨濃度的復合鍍層在磨損初期都有一段不穩(wěn)定的磨合期，摩擦因數波動較大。30g·L-1和50g·L-1復合鍍層磨合期較短，約為5min。50g·L-1復合鍍層摩擦因數隨時間先增大后減小最后趨于穩(wěn)定，其余石墨含量的復合鍍層經歷磨合期后都逐漸趨于穩(wěn)定。由圖5（b）可知，復合鍍層平均摩擦因數隨鍍液中石墨含量的增大，先減小后增大，當石墨含量為30g·L-1時，復合鍍層摩擦因數為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，復合鍍層磨損率和平均磨痕寬度先減小后增大。當石墨含量為30g·L-1時，復合鍍層磨損率和平均磨痕寬度分別達到最低為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生的循環(huán)接觸應力，在磨痕邊緣擠壓出層狀的剝落碎屑，部分地方出現銅基體裸露現象。隨著鍍層中石墨烯和石墨的加入，10g·L-1石墨含量復合鍍層較純銀鍍層剝落現象有所減緩，當石墨含量增大至30g·L-1時，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)生磨穿現象，磨損機理以黏著磨損為主。繼續(xù)增大鍍液石墨含量到40g·L-1和50g·L-1時，表面又出現了明顯的魚鱗狀溝壑，主要因為石墨含量過大時，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。通過對比不同鍍液石墨含量的復合鍍層和純銀層的平均摩擦因數、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，有效地延長了高壓隔離開關的使用壽命。

圖7為不同石墨含量鍍液制備的銀/石墨/石墨烯復合鍍層熱導率隨溫度變化曲線。從圖中可以看到，鍍液石墨含量為10～30g·L-1時，不同溫度下的熱導率均大于純銀鍍層。當石墨含量為30g·L-1時，熱導率達到最大，25℃時為370.8 W·m-1·k-1，較純銀鍍層提高了6.7%，105℃時為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，復合鍍層的熱導率又低于純銀鍍層，主要是因為純金屬是以自由電子為傳熱載體，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，所形成的幾何界面對導熱方向上聲子與電子的散射面積不相同，散射面積越小，熱導率越好。而石墨烯作為單層碳原子晶體，其碳碳之間的共價鍵強，可顯著削弱晶界處聲子的邊界散射。對于鱗片石墨，因其具有層狀結構，沿著層片方向導熱率也非常高。因此，當石墨烯和石墨在鍍層中均勻分布時，可以顯著提高鍍層熱導率。但是當石墨添加量過多時，鍍層孔隙率增大，散射面積增加，從而降低了復合鍍層熱導率。

3.結論

（1）在石墨烯用量為石墨烯含量為2g·L-1時，隨著鍍液中石墨含量的增加，銀/石墨/石墨烯復合鍍層內石墨含量增加，石墨含量為30g·L-1時，鍍層內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，鍍液中石墨濃度不同，對制備的鍍層性能有所影響。當石墨濃度為30g·L-1時，復合鍍層表面硬度、熱導率達到最大，分別為135.3HV、370.8W·m-1·k-1（25℃），平均摩擦因數降到最低為0.245，綜合性能最好。