国家自然科学基金青年科学基金申请书范文

报告正文（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）：1．项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。

附主要参考文献目录）；1.1 研究意义碳纤维或石墨微粒等碳质相增强银基电接触材料主要用于制作微电机的电刷和换向器，是保证微电机服役性能和寿命的关键。

随着微电机向高温、高速、高扭矩及低噪音方向发展，对碳质相增强银基电接触材料提出了更高的性能要求，包括强度、耐磨、抗电弧侵蚀、耐高温、抗腐蚀等[1-2]。

与传统的碳质相增强体相比，得益于石墨烯的sp2轨道杂化以及二维薄层结构，石墨烯材料展现出超高的强度、优异热导率和电导率、透光率以及柔性轻质等特性。

凭借以上独特的物理性能，石墨烯受到了复合材料领域研究者的关注，期望石墨烯能够带给复合材料新的性能。

随着石墨烯量产工艺的逐步改进和完善，低成本石墨烯增强体使得石墨烯复合材料的实际工程化变为可能。

石墨烯的高强、高导电导热性是区别已有增强体材料如石墨、碳纳米管的最大优势特点，将这些性能优势引入到块体金属基电接触材料中，将为金属基电接触材料的设计和性能提升带来巨大的影响[3-5]。

为此，本项目探究独具特性的石墨烯在银基体中的赋存状态、强化作用、纳米界面行为，阐明石墨在提高复合材料的力学性能的同时协调导电导热等物理性能的内在原理以及改善银基体的抗电弧侵蚀机理，具有重要的科学意义。

在大量文献调研及前期工作基础之上，项目提出采用化学包覆-超声处理-行星式高能球磨-正向热挤压技术，加速石墨烯层片的纳米化，实现石墨烯强化相在银基体中均匀分散并形成部分强界面结合，合成新型石墨烯增强银基电接触材料，同时对新材料微观结构和使役性能(电接触性能)的关联性进行研究，对新型银基电接触材料的制备与应用而言，也具有较好的现实需要。

1.2 石墨烯在金属基体中如何实现高效分散石墨烯作为增强体在银基电接触材料使用时，关键科技问题在于，其在基体中如何弥散均匀分布以及与基体的界面如何形成。

均匀分散的石墨烯不仅能细化晶粒、钉扎位错，还能更有效地承担载荷。

与其他微尺寸增强相一样，石墨烯因其较大的比表面积以及高表面能而易于团聚，如何更均匀地将石墨烯分散于金属基体中一直是研究热点和难点。

在粉末冶金加工以及其他制备技术过程中，石墨烯的分散程度主要取决于预压成型或烧结之前的混粉工艺。

通常石墨烯片的表面能随层数的减少而增大，单层石墨烯极易团聚，多层石墨烯片的分散难度则相对较小[6]。

高能球磨技术，特别是行星球磨可以实现多层石墨烯片在铜或银粉末中的良好分散，是报道中最常见的石墨烯分散工艺之一。

在高能球磨过程中，混合粉末经过反复变形，断裂和冷焊过程，从而实现均勻混合，并且球磨粉末之间能够部分达到原子尺度上的键合[7]。

为改善石墨烯纳米片的分散性，经常在球磨前对石墨烯粉末进行超声处理、表面改性或加入表面活性剂。

石墨烯纳米片在范德华力作用下易于团聚，在液体介质中对超声处理后的石墨烯进行球磨处理，可以破碎团聚体，并且表面活性剂的存在有助于保持石墨烯纳米片的分散状态[8-13]。

Chu等[14]研究人员采用高能球磨的方式将体积分数分别为3%，5%，8%和12%的少层石墨烯纳米片添加到纯铜粉中，当石墨烯的体积分数达到12%时开始出现团聚。

研究发现8%体积分数的石墨烯均匀分布于基体中，复合材料的晶粒尺寸约4μm，远小于纯铜晶粒尺寸(约为10μm)，这表明石墨烯起到了细化晶粒作用。

均匀分散的石墨烯能在晶界处有效钉扎位错，造成位错塞积，进而阻碍加工过程中再结晶晶粒长大，提高材料变形时位错移动的晶界阻力。

韩国弘益大学Kim 等[15]采用高能球磨结合和高速异步轧制合成多层石墨烯铜基复合材料，利用大塑性变形诱导产生的大剪切应变来加速石墨烯层片的纳米化和在铜基体中的分散，增加复合材料组织的均匀性，提高复合材料的力学性能。

杨帅[16]使用高速球磨机和高剪切匀质机先合成了少层石墨烯和纳米铜粉的复合粉末，再经放电等离子烧结得到石墨烯铜基复合材料，材料屈服强度达到476MPa，高于普通纯铜(约300MPa)。

国内外学者的研究结果说明，采用高能球磨技术制备石墨烯金属基复合粉末，能够较好解决石墨烯在基体材料中的分散性问题，使复合材料组织更加致密细小，同时大幅度提升复合材料的力学性能。

但由于高能球磨过程中猛烈持续的撞击，石墨烯片的结构容易遭到破坏，因此采用高能球磨分散方法时应注意球磨工艺(如球料比例、球磨气氛或溶剂的选择、球磨速率和球磨时间等)的控制和优化。

因此，本项目选用行星式高能球磨技术，制备多层石墨烯-银复合粉末，以便使多层石墨烯纳米片较为均匀弥散地分布在银基体中。

1.3 石墨烯增强金属基复合材料力学性能的理论研究进展石墨烯增强金属基复合材料的作用机理及规律目前仍没有统一的结论。

因此，开展对石墨烯增强金属基复合材料强化机理的研究，探讨石墨烯增强银基复合材料的纳米界面行为，阐明石墨在提高复合材料的力学性能的同时协调导电导热等物理性能的内在原理，将有助于完善石墨烯增强金属基复合材料的理论基础。

将石墨烯作为增强相添加到金属基体中的主要目的是提高材料的强度。

复合材料的强化行为可用不同的数学模型表示，微观力学模型能在给定的宏观载荷以及组成相形状和性能条件下计算相的局部应力与应变场，预测非均质复合材料力学性能对组成相的几何形状和性能的响应，并通过分析实验与理论结果的差别，从根本上阐明石墨烯的强化机制[17]。

目前Cox 剪切滞后模型和Halpin-Tsai 经验公式已被用于分析石墨烯增强金属复合材料的力学性能。

Cox 剪切滞后模型假设弹性基体与纤维界面完美结合，且拉力沿着纤维方向加载，载荷由基体与增强纤维的界面间剪切应力传递。

根据石墨烯的取向和结构等因素修正剪切滞后模型，其预测值能够很好地匹配实验测量值。

通过机械球磨结合热等静压成型将石墨烯添加到铝合金中，不仅提高了材料的抗拉强度，还保持了较高的伸长率[18]，综合Hall-Petch 公式和剪切滞后模型，石墨烯增强铝基复合材料的屈服强度服从以下公式：ff V s V d 144k 210c式中：0和k为与晶体类型有关的常数；d为基体晶粒尺寸；f V 石墨烯体积分数；s为石墨烯的径厚比。

复合材料的屈服强度主要受石墨烯径厚比影响，s越大，则屈服强度c越高。

采用剪切滞后模型预测石墨烯-镍/铜复合材料的屈服强度，所得结果与实验值吻合，研究表明：主要强化机制是自基体至石墨烯的有效载荷传递，这得益于镍纳米颗粒促进石墨烯分散并提高了石墨烯与基体间的润湿性[19]；同时也证明Cox剪切滞后模型可以为石墨烯增强金属基复合材料力学性能的预测提供理论指导。

但是，此模型未考虑当石墨烯含量过大时发生的团聚现象对强度产生的负面影响，仅适用于石墨烯完全均匀分散的理想情况。

另外，石墨烯的添加将产生附带的冶金强化效果，例如晶粒细化引起的Hall-Petch效应、Orowan机制、石墨烯与基体间的热膨胀系数差异引起的热错配机制和位错增殖同样会提高强化效应，有待于结合实验进一步研究。

1.4 直流电弧作用下银基电接触材料的电弧侵蚀行为研究现状银基电接触材料在直流电弧作用下服役时，主要的失效形式主要有3类：接触电阻升高、触头烧穿和触头粘接。

3种失效形式都与分合燃弧特性及材料性能直接相关。

在电弧与触头相互作用过程中，带电粒子被触头间的电场、热场加速，高速轰击触头表面，触头温度升高，发生熔化甚至气化，触头表面材料以蒸气形式进入到电弧中；高速粒子在轰击触头表面过程中产生力的作用，使触头材料以液滴形式发生喷溅，导致部分材料丢失到周围环境中。

电弧燃烧过程所伴随的熔化、蒸发和喷溅等现象使得触头材料发生侵蚀和转移，触头表面将形成凹坑和突起，触头材料组分和组织结构发生改变，进而导致触头接触电阻升高、质量减小、熔焊力变大[20-23]。

因此，电接触材料的侵蚀行为一直是电接触研究领域中的基本问题，并且直接决定了电触头的使用寿命。

由于电接触材料在使用中需要经历闭合电弧→接触电阻焦耳热→分断电弧→自然冷却过程，故材料的侵蚀是多过程、多变量和多物理场耦合的结果。

如果要深入研究这些过程中电接触材料的具体行为，必须采用一定的研究方法和手段[24]。

目前国内外研究主要采用实验和数值模拟相结合的思路：首先在实验数据的基础上，建立一定的数学模型；其次采用数值分析方法(主要是有限元方法)进行求解和计算；最后，通过计算结果和实验结果的比较并完善数学模型，从而了解电接触材料的侵蚀机理、电接触过程和控制因素。

(1) 电弧侵蚀行为实验分析研究针对电接触材料在直流电弧作用下发生质量变化，成分变化和表面形貌变化，相应的实验研究方法分别为：称重法，表面成分分析和表面形貌分析[25-27]。

称重法利用质量测量设备，得到燃弧前后阴极和阳极触头质量变化。

因单次燃弧导致的触头质量变化太小，难以准确测量，因此通常进行上万次燃弧实验。

每隔一定次数后，测量触头质量，分析烧蚀量随燃弧次数/燃弧时间的变化，确定单次燃弧导致的触头平均侵蚀量。

触头表面成分分析通常利用能谱分析仪(EDS)对烧蚀后触头表面微区成分元素种类和含量进行分析，得到触头表面不同区域内材料成分在燃弧前后的变化。

触头表面形貌分析方法是利用扫描电镜(SEM)对烧蚀区域进行显微组织观测，定性描述烧蚀区域的形貌特征，并对烧蚀轨迹直径、电弧斑点个数及尺寸、喷溅颗粒尺寸等进行定量分析。

由于侵蚀机理的复杂性和侵蚀特性的多样性，研究者通常也采用多种实验方法(如高速摄像法、探针法、激光成像法等)从不同角度描述侵蚀特性，建立侵蚀模型，分析侵蚀机理。

(2) 电弧侵蚀行为有限元模拟研究在电接触材料侵蚀行为的模拟研究方面，Yukio Nakaqawa[28]采用数值计算的方法建立了电触头电弧侵蚀热传播过程的一维模型，首次建立了电触头材料的物理参数与电接触行为的定量关系。

随后，Kharin[29]考虑了表面张力、重力、电磁收缩力的作用对熔桥形状变化的影响，通过数学建模的方式建立了MHD 有限元模型。

Borkowski[30]建立了电弧作用的唯象模型用于描述电接触现象，进行了相应的计算和分析，并深入研究了银-石墨触头材料的电性能[31]。

国内主要是西安交通大学、华中科技大学和北京邮电大学等高校从事该方面的研究。

西安交通大学的荣命哲等教授[32]对接触电阻焦耳热产生的温度场进行了分析和计算，并建立了恒定大电流工作条件下，电弧对材料作用的简化模型，并采用有限差分法求解温度场。

近年来，华中科技大学李震彪教授等[33]建立了较好的电弧作用模型，并采用有限元方法进行计算和分析。

昆明贵金属研究所的陈松研究员等[34]通过对实验中闭合电弧→接触电阻焦耳热→分断电弧→自然冷却过程的分析，根据测得的相关实验数据，采用有限元方法对该模型进行计算，得到电触头的瞬态温度场的分布和演化特点建立一个电触头使用过程中的瞬态温度场的计算模型。