石墨烯增强银镍电接触材料在不同负载电流下的电弧侵蚀行为与材料转移机制研究

为解决AgNi电接触材料在高电流负载下电弧侵蚀严重的问题，研究人员通过原位生长结合粉末冶金技术制备了Ag-10 wt.%Ni@Gr复合材料，系统研究了10-25 A负载电流对电弧特性、材料转移及表面形貌的影响。结果表明，高电流导致电弧能量增加、侵蚀加剧，并发现材料转移方向随电流升高发生反转。该研究为高性能电接触材料的参数优化提供了理论依据。

　　

随着5G技术、电动汽车和智能家居的快速发展，电气设备正朝着小型化、高功率方向演进。这一趋势对低压电器核心部件——电接触材料提出了更严苛的要求。传统银镍（AgNi）材料虽具有良好的导电导热性，但在高电流负载下易发生严重电弧侵蚀和材料转移，导致接触失效。如何提升AgNi材料的抗电弧侵蚀能力，成为制约电气设备性能提升的"卡脖子"难题。

西安交通大学的研究团队创新性地将石墨烯（Gr）引入AgNi体系，通过原位生长技术在镍颗粒表面构建石墨烯包覆结构，成功制备出Ag-10 wt.%Ni@Gr复合材料。相关研究成果发表在《Journal of Alloys and Compounds Communications》上，揭示了负载电流对材料性能的影响规律。

研究采用原位生长结合粉末冶金的技术路线：首先在镍颗粒表面原位生长石墨烯，再通过机械混合、热压烧结制备复合材料。采用定制化电接触测试系统，在DC36 V、10-25 A条件下进行电弧实验，结合高速摄像、电子探针等手段分析电弧参数和表面演变。

电弧特性演变规律
通过累积分布曲线分析发现：随着电流从10 A增至25 A，断弧持续时间从0.3 ms延长至1.2 ms，断弧能量增长近4倍。值得注意的是，合弧能量呈现先增后降的非单调变化，在20 A出现峰值。电弧功率分析显示，高电流下电弧功率显著提升，这是导致材料损伤加剧的关键因素。

表面形貌与成分演变
微观表征显示：低电流（10 A）下侵蚀区呈现均匀的火山口状形貌；当电流升至25 A时，表面出现高度达50 μm的凸起和深度超30 μm的弹坑。能谱分析证实，高电流促进Ni元素向阴极富集，形成明显的成分偏析带。

材料转移机制反转现象
研究首次发现：在10 A时材料遵循阳极→阴极的传统转移路径；但当电流超过20 A时，转移方向发生逆转。机理分析表明，这种反转是熔桥不对称断裂与电弧粒子溅射沉积竞争作用的结果。熔桥效应在低电流占主导，而高电流下电弧溅射起决定作用。

该研究不仅阐明了负载电流对AgNi@Gr材料性能的影响机制，更揭示了材料转移方向随电流变化的颠覆性规律。研究结果为电气接触材料的选型设计提供了重要依据：对于10-15 A工况可优先考虑传统AgNi材料；而在20 A以上高负载场景，AgNi@Gr复合材料展现出显著优势，其优化的石墨烯分布可有效抑制电弧侵蚀。这项成果对推动我国高端电器元件的自主创新具有重要战略意义。