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Cu-Cr复合材料(亦称Cu-Cr合金)是真空开关中常用的触头材料。随着真空开关向高电压、大容量、小型化方向发展,对Cu-Cr触头材料的性能提出了更高的要求。纳米复合材料具有优良的综合性能,且块体纳米材料的制备一直是国内外研究的热点。为此,本文采用高能球磨(High Energy Ball Milling,简称HEBM)与放电等离子烧结(Spark plasma sintering,简称SPS)相结合的方法,制备Cu-Cr纳米复合材料,并探讨Cu-Cr纳米复合材料在大功率真空开关中应用的可能性。分别以CuCr5和CuCr50(质量百分含量)两个材料体系为对象,着重研究了高能球磨过程中Cu (Cr)固溶体粉末、Cu-Cr纳米晶复合粉末的形成过程及机理,研究了放电等离子烧结过程中粉末的致密化行为以及纳米Cr粒子的脱溶析出与长大规律,并通过模拟试验和装机试验,比较了纳米和非纳米Cu-Cr触头材料的电性能。经过研究,得到如下主要结论：采用高能球磨工艺,可以形成Cu (Cr)固溶体,且球磨工艺参数对Cu (Cr)过饱和固溶体粉末的形成具有重要影响。优化的球磨工艺为：过程控制剂(PCA)无水乙醇的添加量为5%,采用2种不同尺寸的硬质合金磨球进行级配球磨(φ10：φ6=1：2),球料比30：1,球磨时间100h。在此条件下,可实现CuCr5粉末中的Cr在Cu中的完全固溶,形成过饱和Cu (Cr)固溶体粉末。热力学计算表明,CuCr体系在常温下形成固溶体时存在热力学势垒。在高能球磨过程中,晶粒尺寸的减少和位错密度的增加使得体系的自由能增加,从而导致Cr在Cu中的固溶度得到有效扩展。在烧结温度900℃、保温时间5min、升温速率100℃/min.压力50MPa的条件下,通过对过饱和Cu (Cr)固溶体粉末进行放电等离子烧结,成功制备了CuCr5纳米复合材料。在放电等离子烧结过程中,Cr从Cu(Cr)过饱和固溶体中弥散析出,其尺寸约为70～150nm,均匀分散在Cu基体中,形成了CuCr5纳米复合材料。制备的CuCr5纳米复合材料的相对致密度为98.7%,显微硬度高达213HV,电导率为38.8%IACS。与传统方法制备的非纳米CuCr5合金相比,制备的CuCr5纳米复合材料的硬度提高了1.58倍,而电导率相当。CuCr50粉末的优化球磨工艺为：过程控制剂(PCA)无水乙醇的添加量为5%,采用2种不同尺寸的硬质合金磨球进行级配球磨(φ10：φ6=1：3),球料比30：1,球磨时间60h。在此条件下,成功获得了纳米晶CuCr50复合粉末。CuCr50复合粉末的优化放电等离子烧结工艺为：烧结温度900℃、保温时间5min、升温速率1008/min.压力50MPa。在此工艺条件下,成功制备了CuCr50纳米复合材料。制备的CuCr50纳米复合材料的相对致密度(98.8%)接近工业标准(99.0%),其显微硬度(282HV)为工业标准的2.35倍,而电导率(21%IACS)略低于工业标准(30%IACS)。在直流低电压和小电流(24V/10A)的条件下,纳米CuCr50触头材料在真空中的平均分断燃弧时间高于非纳米CuCr50触头。虽然纳米CuCr50阴极触头的电弧侵蚀量大于非纳米CuCr50触头,但其表面烧蚀均匀,消除了严重的局部烧蚀现象,而非纳米触头的心部出现了明显的烧蚀坑,局部烧蚀严重。相对于非纳米CuCr25触头材料,纳米CuCr25触头材料的截流值降低,但耐压能力下降。在交流高电压和大电流(24kV/20kA)的条件下,纳米CuCr25触头材料的分断能力明显劣于非纳米CuCr25触头材料。分断试验之后,2种CuCr25触头表面的电弧烧蚀形貌出现明显差别。非纳米CuCr25材料的阳极触头表面烧蚀比阴极表面严重,纳米CuCr25的阴极和阳极触头表面局部烧蚀严重,出现了明显的裂纹和裂缝。模拟试验和装机试验的综合结果表明,在本实验条件下,制备的Cu-Cr纳米复合材料作为真空开关中的触头材料并未显示出明显的优势,如何进一步降低材料中的氧含量和杂质含量,如何进一步改善材料的纳米结构,是下一步研究的重点。