[发明专利]一种石墨烯增强铜钨合金电触头硬度改性设计方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯增强铜钨合金电触头硬度改性设计方法，所述方法包含模型构建、势函数选取、仿真参数设置以及压痕硬度计算方法，具体为：通过PSO算法确定石墨烯增强铜钨合金分子模型的结构参数，运用atomsk基于结构参数构建石墨烯增强铜钨合金分子模型，选用EAM、AIREBO、Tersoff和LJ组合势函数，通过LAMMPS去除石墨烯增强铜钨合金分子模型中的重叠原子，并使用共轭梯度法对体系进行几何结构优化，模拟计算不同石墨烯含量对压痕硬度的影响。通过对所述基于分子模拟的石墨烯增强铜钨合金电触头硬度改性设计方法的综合分析，发现较传统实验测量方法，本方法可实现石墨烯增强铜钨合金电触头材料的硬度预测与辅助设计，可为推动高压断路器高性能电触头设计与制造提供参考。

技术领域

本发明属于断路器触头材料设计领域，具体是一种石墨烯增强铜钨合金电触头硬度改性设计方法。

背景技术

铜钨合金(CuW)因其兼具钨相高密度、高熔点、抗熔焊、高强度和铜相高热导、高电导的优异特性 而被广泛应用于高压断路器中作为电触头材料。然而，随着我国特高压交直流输变电系统不断向更高电压 等级发展，现有的铜钨合金电触头已难以满足更高电压对其机械性能的要求，特别是在断路器触头的关合 过程中，触头因高能电弧作用而产生温升、局部软化、融化甚至喷溅，使得其弧后摩擦磨损更为严重，多 次关合将导致最终触头失效。因此提高其耐机械磨损性能已成为目前亟待解决的问题。

硬度一直被视为评估金属耐磨性能的主要参数。因此，提高硬度成为了提高断路器铜钨合金触头耐 机械磨损性能的有效途径，石墨烯是一种具有出色电学、热学和力学特性的二维纳米材料，其独特的晶体 特征使其在增强复合材料领域得到了广泛应用。同具有相似本征特性的碳纳米管相比，石墨烯具有更大的 比表面积，能够更好地提升金属基复合材料的性能。直接从实验上观测材料变形过程中的微观结构演化细 节与规律的成本高昂，且受到现代光学与电子显微技术的限制，而随着计算机技术的飞速发展、计算能力 的不断提高，分子动力学模拟已经被广泛用于研究材料在生长、单轴拉伸、纳米压痕等过程中的微观结构 演变。因此，亟需提出一种基于分子模拟的石墨烯增强铜钨合金触头硬度改性设计方法，解决高压大电流 环境下石墨烯改性增强铜钨合金触头硬度的设计难题。

发明内容

鉴于现有技术中的上述问题与缺陷，本发明的目的是提供一种基于分子模拟的石墨烯增强铜钨合金 触头硬度改性设计方法，以解决现有技术难以预测石墨烯增强铜钨合金触头硬度设计的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种石墨烯增强铜钨合金触头硬度改性设计的方法，其特征在于模型构建、势函数选取、仿真参数 设置以及压痕硬度计算方法，包括如下步骤：

步骤一、通过PSO算法确定石墨烯增强铜钨合金分子模型的结构参数，所述模型结构参数包括模型 基体边长、钨颗粒的半径和石墨烯的位置；

步骤二、根据步骤一中获取的铜钨合金结构参数信息，运用atomsk软件构建石墨烯增强铜钨合金 分子模型；

步骤三、选用EAM、AIREBO、Tersoff和LJ组合势函数，保证分子模拟过程的准确可靠；

步骤四、通过LAMMPS去除石墨烯增强铜钨合金分子模型中的重叠原子，并使用共轭梯度法对体系 进行几何结构优化，时间间隔设置为1fs，温度为1K，系综为NPT系综，平衡弛豫步数为20000步；

步骤五、利用步骤四优化后的铜钨合金复合材料分子模型，模拟计算不同石墨烯含量对于压痕硬度 的影响。

进一步的，所述步骤五中，利用步骤四中优化后的铜钨合金复合材料分子模型，模拟计算不同石墨 烯含量对于压痕硬度的影响。包含以下子步骤：

步骤1、在LAMMPS中，将z方向设置为非周期性边界条件，x和y方向设置为周期性边界条件，设 置z方向底端厚度为的原子组成固定层，剩余原子组成运动层；