超声喷雾热解法制备CNTs增强CuCr电接触材料的抗电弧侵蚀机制与性能提升

针对铜基电接触材料在高电压高温电弧下的表面劣化问题，研究人员通过超声喷雾热解结合粉末冶金技术制备CNTs/Cu5Cr复合材料，探究其抗电弧侵蚀机制。结果表明，1% CNTs的添加可形成完整熔池、消除凝固缺陷，使接触面更平滑，同时降低电弧强度与焊接力，寿命提升一倍。该研究为高性能电接触材料开发提供了新思路。

　　

在现代电力传输网络和断路器中，铜基电接触材料（如Cu-W、Cu-Cr合金）承担着接通与分断电路的关键任务。然而，反复的高压电弧作用会导致接触表面熔融、蒸发甚至金属飞溅，最终引发接触失效。尽管通过添加合金元素（如Zr）或复合颗粒（如Al₂O₃、SnO₂）可部分改善性能，但存在导电性下降或颗粒团聚等问题。碳纳米管(CNTs)因其优异的导电导热特性被视为理想增强体，但其分散均匀性及抗电弧机制尚不明确。

为解决上述问题，云南某研究团队通过超声喷雾热解结合粉末冶金技术，成功制备了CNTs均匀分布的1% CNTs/Cu5Cr复合材料，并系统研究了其抗电弧侵蚀机制。论文发表于《Journal of Alloys and Compounds》。研究采用电解铜粉、多壁CNTs和机械破碎铬粉为原料，通过超声喷雾热解实现CNTs单分散，再经球磨混合、热压烧结和热挤压成型制备复合材料，最后通过电接触性能测试和表面形貌分析评估性能。

研究结果

1. 复合粉末形貌：超声喷雾热解处理的SP-CNTs粉末中CNTs呈单分散状态，微米级Cu颗粒包覆CNTs表面，显著降低范德华力。与Cu5Cr粉末混合后，CNTs均匀嵌入基体，无显著团聚。

2. 抗电弧侵蚀机制：

   • 熔池优化：CNTs增加熔池表面张力，促进形成完整平滑的熔池结构，减少飞溅坑洞。
   • 缺陷消除：CNTs通过抑制凝固收缩应力，消除气孔和裂纹等缺陷。
   • 电弧调控：1% CNTs/Cu5Cr接触的电弧强度较Cu5Cr降低50%，焊接力减少30%，寿命延长一倍，表明CNTs可分散并削弱电弧能量。

3. 性能对比：1% CNTs/Cu5Cr复合材料展现出优异综合性能，抗拉强度达356 MPa，电导率为49 MS/m，显著优于未添加CNTs的对照组。

结论与意义
该研究揭示了CNTs通过熔池优化、缺陷消除和电弧分散三重机制提升CuCr电接触材料性能。技术层面，超声喷雾热解结合热挤压的创新工艺解决了CNTs分散难题；应用层面，1% CNTs的添加在保证导电性的同时大幅延长接触寿命，为电力设备安全运行提供了材料设计范式。研究获云南省基础研究项目和国家自然科学基金支持，对推动高性能电接触材料发展具有重要指导价值。