随着我国步入构建现代能源体系的新阶段，能源低碳转型进入重要窗口期，电力系统向适应大规模高比例新能源方向演进，电力系统安全新旧风险交织，电力系统输变电设备面临重大考验，迫切需求进一步增强其安全可靠运行能力，断路器在电力系统中承担着切断故障部分和非故障部分以及对正常负载投切的使命，是电网中最重要的控制和保护设备，其使用寿命直接关系到电力设备是否能够长期安全稳定运行。作为断路器核心部件的电触头材料在通断过程中承载高达数十至数百千安的电弧电流，大电流加剧了对触头材料的烧蚀破坏，已难以满足电力系统不断发展对断路器开断次数的寿命要求，亟待发展具备更高抗烧蚀性能的新型电触头材料。

李庆民教授课题组针对大电流冲击作用下的铜钨电触头抗烧蚀性能不足这一难题，基于分子动力学模拟构建了掺杂石墨烯的铜基复合材料的分子模型，结合双温模型耦合注入电弧能量，研究了铜基复合材料在电弧作用下的固液相变演化动力学过程，提出了烧蚀程度的微观表征量，进一步揭示了石墨烯增强铜基复合材料抗烧蚀性能的微观机制。同时结合纳米压痕对位移加载过程中位错动态演化特性探究分析，提出复合材料的压痕硬度计算方法，研究了石墨烯掺入对复合材料硬度的影响机制，揭示了石墨烯对合金变形过程中位错发展的阻隔作用机理。据此提出了基于分子动力学模拟的石墨烯增强铜钨合金抗烧蚀耐磨损的优化设计方法，为制备高抗烧蚀性能的新型铜钨合金电触头奠定了基础。

图-石墨烯增强铜钨合金电触头抗烧蚀与耐磨损性能的动力学模拟

2023年3月，该研究工作的系列成果《石墨烯增强铜钨合金触头耐磨损性能的分子模拟》和《石墨烯/铜钨合金触头电弧烧蚀的固-液相变动力学模拟与烧蚀程度微观表征》连续发表在电气领域国内顶级期刊中国电机工程学报上，论文的通讯作者是新能源电力系统全国重点实验室李庆民教授，新能源电力系统全国重点实验室是论文唯一通讯单位。

该研究工作得到了国家自然科学基金重大研究计划、青年科学基金等项目资助。

Reference：韩智云,任瀚文,王梦溪等.石墨烯增强铜钨合金触头耐磨损性能的分子模拟[J].中国电机工程学报,2023,43(10):4022-4034.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.213237.

初审：任瀚文

审核：李庆民

责任编辑：张洪