(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111652857.8 (22)申请日 2021.12.3 0 (71)申请人 华北电力大 学 地址 102206 北京市昌平区北农路2号 (72)发明人 任瀚文　李庆民　韩智云　王梦溪　 綦天润　丛浩熹　 (51)Int.Cl. G06F 30/10(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G16C 10/00(2019.01) G16C 20/50(2019.01) H01H 1/021(2006.01) H01H 1/025(2006.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种石墨烯增强铜钨合金电触头硬度改性 设计方法 (57)摘要 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ato msk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。 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 CN 114491691 A 2022.05.13 CN 114491691 A 1.一种石墨烯增强铜钨合金电触头硬度改性设计方法， 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。 2.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强铜钨合金电触头硬度改性设计方法， 其特征 在于所述模型构建通过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 。 3.根据权利要求2所述的一种石墨烯增强铜钨合金电触头硬度改性设计方法， 其特征 在于根据PSO算法确 定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。 4.根据权利要求3所述的一种石墨烯增强铜钨合金电触头硬度改性设计方法， 其特征 在于选用EAM、 AIREBO、 Tersof f和LJ组合势函数， 保证分子模拟过程的准确可靠 。 5.根据权利要求4所述的一种石墨烯增强铜钨合金电触头硬度改性设计方法， 其特征 在于通过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。 6.根据权利要求5所述的一种石墨烯增强铜钨合金电触头硬度改性设计方法， 其特征 在于利用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。 7.一种利用权利要求1 ‑6任意权利要求所述系统进行的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， 其特 征在于所述方法包括如下步骤： 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； 步骤2、 在 LAMMPS中采用fix  indent命令， 设置球形压头半径为 模拟时保持球形 压头以10m/s的速度沿着z轴方向匀速压入所建模型基体中， 最大压入深度为 压入结 束后， 以相同速度卸载， 加载、 卸载时间均为3 50ps； 步骤3、 在LAMMPS中设置温度为1K， 并在加载和卸载过程中， 统计每皮秒下纳米压头受 力。 步骤4、 在LAMMPS中统计 并计算加载过程中的最大压入深度、 最大载荷、 接触深度、 接触 半径、 接触面积、 接触面在卸载 过程中的位移以及残余压痕深度。 步骤5、 通过LAMMPS的dump命令输出模型在加载和卸载过程中的压头位移和对应的载 荷大小， 画出载荷位移曲线， 并对其进行拟合， 进一步的通过卸载曲线顶部拟合出接触刚 度。 步骤6、 通过LAM MPS进一步计算出分子模型的压痕硬度。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114491691 A 2一种石墨烯增强铜钨合金电触头硬度改性设计方 法 技术领域 [0001]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 [0002]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。 [0003]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 [0004]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。 [0005]本发明的目的是通过以下技 术方案实现的： [0006]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： [0007]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； [0008]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； [0009]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； [0010]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， 平衡说　明　书 1/5 页 3 CN 114491691 A 3