文|池淞子

编辑|池淞子

引言

电接触是指两个导体之间相互接触实现电流传递或信号传输，其功能是使电子从一个导体通过界面传递到另一导体，确保电能以及信号的畅通传递，实现这种电流传输的相互接触的载流导体通常为固体，称为电接触元件，在工程应用中称为触头或触点。

电接触元件是高低压开关电器核心部件， 担负着电器接通、分断、导流、隔离等工作，其性能直接影响电器、电子等传导系统工作的整体可靠性、稳定性、精确性和使用寿命， 电接触材料是影响开关电器触头系统工作可靠性的关键因素。

在电接触材料中，研究与应用最广的为银基电接触材料，但是高纯度的银金属粘接性和耐电磨损性差， 也存在熔点低、硬度不高，在含硫或硫化物的介质中，表面易形成硫化银薄膜； 在直流电作用下，易挥发，易形成电侵蚀尖刺，银接触元件易形成电弧，使其熔接。

且大、*功中**率触点的工作条件较恶劣，常处于电弧的强烈作用下，电侵蚀严重，故考虑具有优异性能的石墨烯可作为增强体应用于金属基复合材料，以提升金属材料的性能，适应现代工业的应用。

银-石墨烯复合材料的化学沉积制备方法

电沉积法主要采用复合电镀工艺，以纯银为阳极，基底金属为阴极，在银盐溶液中通过离子和石墨烯颗粒的转移与沉积得到复合镀层，其原理如图1。

化学沉积法工艺简单、易于操作、设备成本低、石墨烯第二相分布均匀， 结构损坏率低、镀层材料多样化、性能均匀，对于电接触银基材料的增强是比较合适的方法， 存在的问题主要是石墨烯在镀液中分散不均匀，附着效率不高等，一般采用的方法是向镀液中添加表面活性剂以改善其分散性。

调研统计，目前国内近90%的电镀银生产线均采用氰化物络合体系，传统的氰化镀银是以氰化物与银离子形成络合，镀液不易变质可长期储存，阴、阳极电流效率很高，镀层呈镜面光亮状态。

因此广泛地应用于电镀行业，验证了无氰镀银代替氰化镀银的可行性， 现用的无氰镀银体系多为硫代硫酸盐无氰镀银体系和丁二酰亚胺无氰镀银体系， 硫代硫酸盐镀银以硫代硫酸根作为配位剂，以焦亚硫酸盐作为主盐，其镀液组成及工艺条件如表1所示。

硫代硫酸盐镀银体系作为一种较为成熟的无氰镀银体系，配方简单，方便配置且电流效率较高，镀层结晶平整细腻，在复合电镀中也有较为广泛的应用，利用硫代硫酸盐镀银体系为基础，分别研究了非离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和阴离子表面活性剂的分散效果和石墨烯的附着效果。

并且探讨了不同电流密度、不同搅拌强度、不同石墨烯浓度等对电镀的影响，利用的硫代硫酸盐镀银， 将复合镀层应用于高压隔离开关，证明了在石墨烯添加量超过0.5g/L时，复合镀层的硬度较纯银镀层提升17%左右，并且耐磨性和耐蚀性也有提高。

丁二酰亚胺镀银体系以甲烷磺酸银为主盐，丁二酰亚胺为配位剂，优点是镀液不会挥发出氨气，对操作环境及设备要求低，丁二酰亚胺镀银体系镀液组成及工艺条件如表2所示。

利用丁二酰亚胺镀银体系，在石墨烯薄片添加量为2g/L、阴极电流密度为0.5A/dm2、搅拌速度为1000r/min、温度30℃、分散剂为质量百分比为35%的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的工艺条件下，制得石墨烯含量2.33wt%的复合镀层。

用国标GB/T5270-1985中规定的方法对银复合镀层进行结合力测试后发现石墨烯-银复合镀层较之纯银镀层对基底金属有着更好的结合力，同时抗色变能力和抗蚀性有了较好的改善。

复合镀层的硬度较纯银提升了20%左右，镀层平均摩擦系数也只有纯银镀层的25%左右， 另外复合镀层在350℃下烘烤1h后，表面也无明显变化，而纯银镀层则明显发黑。

也利用丁二酰亚胺镀银体系制备了自润滑的电接触复合材料，并研究了超声对施镀的影响，验证了超声强度合适的情况下， 银层的表面变得平整致密无孔隙，晶体由细小的球状晶体变成长条状晶体，晶体生长带有明显的取向性。

电沉积过程中，石墨烯薄片通过搅拌等作用吸附到阴极表面，由于石墨烯具有优异的导电性，银离子开始以石墨烯薄片为基体沉积形核，但与石墨不同的是，石墨烯薄片表面较为规整，银并没有从最初的球状结构生成岛状结构。

而是以球状方式在横向与纵向不断生长，最终在复合镀层表面形成大量紧密结合的胞状物，做出银与石墨烯共沉积的示意，如图2所示。

银-石墨烯复合材料的粉末冶金制备方法

粉末冶金是一种以金属粉末为原料，经压制和烧结制成制品的加工方法，其具有工艺简单、灵活，能达到近净成形，材料利用率高的特点，在石墨烯金属基复合材料制备中应用较为广泛。

由于石墨烯密度远低于金属银的密度，在压制成型后二者之间会无可避免地形成间隙， 在磨损时使得石墨烯易剥离， 所以一般不采用直接将粉体直接混合，而是在石墨烯表面预镀一层银，再进行粉末冶金的操作。

如此即可将“石墨烯-银”接触变成“银-银”银-银接触，从而保证了成型的稳定性与可靠性，所以如何稳定地利用粉末冶金工艺制备复合材料的问题，实际上就是如何制备稳定且纯粹的载银石墨烯的问题。

利用氧化石墨烯及石墨烯片层带负电荷的特点，采用静电自组装技术，可以将其与聚合物阳离子交替沉积制备石墨烯薄膜， 通过交替沉积聚（二烯丙基二甲基氯化铵）（PDDA）（或硝酸银）和氧化石墨烯， 制备氧化石墨烯/PDDA薄膜和氧化石墨烯/硝酸银复合薄膜。

然后在600℃下通入氩气和氢气进行气氛还原得到石墨烯薄膜和石墨烯/银复合薄膜，采用原子力显微镜、扫描电镜拉曼光谱仪以及四探针电阻仪等对薄膜结构及性质进行表征，结果表明，通过静电自组装法可以获得生长均匀的薄膜。

对比于相同自组装次数的石墨烯薄膜，石墨烯/银复合薄膜具有更好的透光性和更低的薄膜方块电阻，以硝酸银和功能化的带负电荷石墨烯作为组装单元，依靠两者之间的静电吸附通过层层自组装的方法制备了石墨烯/硝酸银复合薄膜， 并对其进行了还原处理得到了石墨烯/银纳米粒子复合薄膜， 并验证其对双氧水有良好的电催化性能。

两种制备方法的对比

电沉积工艺简单，施镀稳定，是获取实验用银-石墨烯复合材料的理想方法，也是目前制备银-石墨烯电接触材料的主流方法，但是镀层存在石墨烯含量不可控的问题，并且石墨烯分散体系在整个镀银过程中属于不可测控的消耗品，无法验证在多次施镀后的镀银稳定性，也不能单单通过添加分散体系作为补充。

粉末冶金工艺的优点在于可以人为控制镀层中的C含量， 不存在复合电沉积法具有消耗后浓度变量不可控的问题， 而且粉末冶金制备的触头不存在镀层金属磨损消耗殆尽从而影响触头电接触性能的情况。

但缺点是，在压制成型后二者之间会无可避免地形成间隙，在磨损时使得石墨烯易剥离，而且成本、操作难度也比电沉积法更甚，因此需要根据触头的实际应用情况确认制备工艺，从而达到更好的性价比。

石墨烯金属基复合材料的研究方向及探索

石墨烯因其优异的物理、化学和力学性能引起材料界广泛的关注，近几年，石墨烯制备技术逐渐完善，但制备高质量、层数可控、膜均匀的石墨烯仍是该材料制备研究的重点，石墨烯复合材料的研究仍将围绕聚合物和金属块体材料展开。

目前，石墨烯复合材料的研究主要集中在石墨烯与聚合物材料的复合，如微电子、透明电极、催化材料、生物医学等各个领域，关于金属基石墨烯复合材料的研究仍面临很多问题， 如石墨烯与基底金属的润湿性问题，石墨烯与熔融金属界面的反应问题，石墨烯在金属基体中如何均匀分散的问题。

针对上述问题可以考虑加入*土稀**元素（如锆、铌、铈等）优化基体组分，或者利用气相沉积或化学镀对材料表面进行化学处理，也可以考虑采用非连续性增强金属复合材料内生的方法， 在一定条件下通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应，在金属内部原位生成弥散分布的石墨烯，达到强化金属的目的。

在材料制备过程中，探索实验中合适的参数，如粉末冶金过程中，球磨时间、球料比、球磨转速及烧结过程中的温度影响问题，最重要的是利用计算机模拟来指导实验的进行，建立数学模型以模拟实验过程，通过计算机模拟找到最优的实验方案，并结合实验结果予以验证。

通过理论与实践相结合，制定最优化的生产工艺以制备性能优良的石墨烯复合材料，进而在各领域开发应用。

结论

通过观察金相组织发现，300℃时效温度处理后TA2/2205复合板双相钢无析出相产生，铁素体α相含量和奥氏体γ相与原始态相比例均接近1:1。

300℃时效温度处理后TA2/2205复合板双相钢，较原始态2205不锈钢强度和增大，而韧性减小，且TA2/2205复合板的剪切强度高达标准的3倍。

电化学测试发现，2205作为复合板的基材的点蚀点位为1.01V，与原始态电位相差0.06V；ASTMA923-14法测试发现，2205作为复合板的基材与原始态2205不锈钢腐蚀速率均为0mdd。