研究背景
随着电动汽车产业的快速发展，充电连接器的性能问题日益引起关注。充电连接器作为电动汽车的重要部件，其可靠性和耐久性直接影响到电动汽车的使用体验和寿命。在充电过程中，连接器需频繁承受滑动摩擦和载流微动两种工作条件，而传统的银（Ag）涂层由于机械性能和抗磨损性能不足，难以满足高频次、高强度使用环境下的性能要求。
充电连接器的关键在于其电气接触材料的选择。电气接触材料不仅需要具备良好的导电性，还需具备优异的机械性能和耐磨性，以保证在长时间、高负荷的使用过程中，能够维持低摩擦系数（COF）和稳定的电接触电阻（ECR）。传统的银涂层虽然导电性良好，但其硬度、韧性和抗磨损能力不足，导致其在实际使用过程中易出现磨损、失效等问题，严重影响充电连接器的可靠性和使用寿命。
研究内容
为了解决这一问题，重庆邮电大学先进制造工程学院Zhengfeng Cao教授在“Tribology International”期刊上发表了题为“Mechanical properties and tribological behaviors of Ag/graphene composite coating under sliding friction and current-carrying fretting”的最新研究。本研究通过电镀法制备了银/石墨烯复合涂层，系统研究了其化学成分、晶相结构、机械性能和摩擦学性能。研究结果表明，添加石墨烯显著提高了银涂层的硬度、弹性模量和韧性，使其在滑动摩擦和载流微动条件下表现出低摩擦系数和低磨损，且电接触电阻稳定且较低。这种性能提升归因于石墨烯的加入提高了复合涂层的机械性能，并在摩擦过程中形成了有利于减摩的转移膜。
图文解读
- 制备了作为充电连接器电气接触材料的银/石墨烯涂层。
- 添加石墨烯显著提高了机械性能和韧性。
- 在滑动摩擦和载流微动条件下研究了摩擦学行为。
- 优异的摩擦学性能归因于改善的机械性能和转移膜。
图 1 | (a) 充电连接器照片, (b) 插头和插座照片, 以及 (c) 载流摩擦副和 (d) 导电接触点的示意图。
图 2 | (a) 银/石墨烯复合涂层电镀示意图 (b) 载流摩擦仪示意图。
图 3 | (a-c) 石墨烯的TEM和HRTEM图像, (d) 拉曼光谱和 (e) C1s的XPS曲线。
图 4 | (a) Ag/G-1和Ag/G-2涂层的拉曼光谱和 (b) XRD曲线。
图 5 | Ag/G-2涂层典型元素的XPS光谱。
图 6 | 涂层的截面形貌。
图 7 | 不同涂层的SEM图像。
图 8 | Ag涂层、Ag/G-1涂层和Ag/G-2涂层的机械性能和电阻率。
图 9 | Ag涂层、Ag/G-1涂层和Ag/G-2涂层的滑动摩擦学行为。
图 10 | Ag涂层、Ag/G-1涂层和Ag/G-2涂层的载流微动摩擦学行为。
图 11 | 提出的银/石墨烯复合涂层摩擦学机制示意图。
结论展望
本文探索银/石墨烯复合涂层作为电动汽车充电连接器电气接触材料的应用潜力。传统银涂层在面对高频次、高强度使用环境下的局限性促使科学家们寻求新的材料解决方案。石墨烯作为一种新兴的二维材料，以其出色的机械性能和优异的摩擦学特性成为关注焦点。本研究通过电镀法制备了不同石墨烯质量分数的复合涂层，并系统研究了其化学成分、晶相结构、机械性能及摩擦学行为。
实验结果表明，添加石墨烯显著提升了涂层的硬度、弹性模量和耐磨性能，尤其在滑动摩擦和载流微动条件下展现出了稳定的低摩擦系数和低磨损量。这些性能优势不仅归因于石墨烯本身的优异特性，还因复合涂层在摩擦过程中形成的有效转移膜，进一步改善了接触界面的稳定性和耐久性。
本研究不仅为电动汽车充电连接器材料的选择提供了新思路，也为利用石墨烯等新型材料改善传统工程材料的性能提供了实证支持。未来的研究可以进一步优化复合涂层的制备工艺，探索其在更广泛领域的应用潜力，如其他电气接触材料或者工业润滑剂的改良等。
该工作发表在Tribology International上
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.109811
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