CN102864345A

CN102864345A - 一种纳米碳管复合铝导线的制备

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Publication number: CN102864345A
Application number: CN201210325875XA
Authority: CN
Inventors: 郭建明; 刘士斌; 周俊民; 於国良; 侯科峰; 吴振江
Original assignee: ANHUI HEDIAN PUHUA ELECTRIC CO LTD
Current assignee: Haake Science and Technology Ltd. of Shenzhen
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2032-09-06
Also published as: CN102864345B

Abstract

本发明涉及一种纳米碳管复合铝导线制备方法。它是按照下列步骤：1.选用不同重量百分比的铁，铜，硅，混合稀土，硼，钒、钛、锰、铬四种元素及其它杂质总量不超过0.01%，余量为铝配料；2.将99.7%的工业纯铝锭放入中频感应电炉中熔化，加入各合金化的添加元素，搅拌、除杂、精炼、除气、除渣和炉内成分分析调整；3.在铝合金液体中加入0.5%-2.0%纳米碳管，搅拌，保温，静置；4.连铸连轧；5.多道次小变形量拉丝；6.退火处理，冷却得到纳米碳管复合铝导线。本发明与现有技术相比，可以在加入镀铜纳米碳管的条件下，控制变形工艺，大幅度提高铝导线强度的同时保持其导电性。

Description

一种纳米碳管复合铝导线的制备

技术领域

本发明涉及铝合金导线，尤其涉及一种纳米碳管复合铝导线的制备，实现了铝合金导线的高强度、高导电率，适用于材料制备技术领域。

背景技术

近年来，为了满足电力和电器工业不断发展的需要，国家对铝合金导线的性能提出了更高的要求，高强高导铝合金导线以其优越的性能越来越受到电力系统的重视。特别是大跨度的输变电工程和高寒山区输电线路，不仅要求铝合金导线具有良好的导电性，而且要有较高的抗拉强度，以提高使用寿命，增强抗风雪冰挂能力。一般来说，降低强度可以提高导电性，而提高强度通常以牺牲导电性为代价。当前我国生产制造的铝合金导线尤其是在作为高架线使用时，不能很好地满足市场及用户对其性能的要求，如何提高抗拉强度、合理协调导电性能是铝合金导线生产中需要解决的主要问题。

国际上已有一些高强度的导电铝合金，如美国的5系列铝合金，其抗拉强度可达330MPa，但其导电率低于58%IACS。因此，通过微合金化方法获得高强高导铝合金（强度大于330MPa，导电性大于61%IACS），目前尚难实现。但是，从材料复合着手来提高铝合金导线的性能，通过纳米碳管与铝合金复合制备铝导线，可以在大幅度提高铝合金导线抗拉强度的同时保持较高的导电率。

纳米碳管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多特异的力学、电学和化学性能。纳米碳管具有良好的力学性能，其抗拉强度达到50-200GPa，是钢的100倍，密度只有钢的1/6，是目前可制备出的具有最高比强度的材料。其轴向弹性模量在1-1.8TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍，且拥有良好的柔韧性，可以拉伸。在铝液中添加具有高导电率，高力学性能的纳米碳管强化相，当纳米碳管与铝合金复合后，由于纳米碳管长径比大，而长度可小到微米级甚至几百个纳米，其复合铝导线的抗拉强度可望得到大幅度提高至500MPa以上。

由于纳米碳管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的导电性能。纳米碳管在某个特定的方向上表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1万倍。碳管轴向导电性高，尽管其与铝复合时没有固定取向，复合后仍可以在大幅度提高抗拉强度的同时保持铝合金导线良好的导电性能，其导电率可望保持在60%IACS以上。

然而，纳米碳管与铝在复合过程中会发生界面反应生成脆性界面产物Al₄C₃，而Al₄C₃的导电性很差，会大大影响复合铝导线的导电率。所以，为了制备具有高强高导综合性能的纳米碳管复合铝导线，必须对纳米碳管进行表面处理。本发明对纳米碳管表面进行镀铜处理，铜既具有很好的导电性，且防止了脆性界面产物Al₄C₃的生成。

在本发明完成之前，尚未见到与本发明制备方法相同的铝合金导线的使用，未见到有用与本发明相同的铝合金导线的制备方法制备的产品有销售，也未见到有与本发明相同的纳米碳管复合铝导线的制备方法在文献中有记载。

发明内容

本发明立足于纳米碳管与铝的复合以及对加工工艺控制，提供制备一种纳米碳管复合铝导线的方法。纳米碳管复合铝导线在具有很高的抗拉强度的同时保持优良的导电性，而且重量轻，易于运输和安装。

实现上述目的的技术解决方案如下：

一种纳米碳管复合铝导线，按重量百分比包含如下元素：铁Fe 0.44%，铜Cu 0.13%，镀铜纳米碳管0.47%-1.92%，硅Si 0.061%-0.063%，混合稀土0.036%-0.038%，硼B0.004%，，铝Al及杂质，所述杂质中钛Ti、钒V、锰Mn和铬Cr等杂质元素之和≤0.01%。

所述混合稀土为镧和铈。

所述铝合金导线电阻率为2.7629-2.8592×10^-8Ω·m，即60.3-62.4IACS；抗拉强度σ为502-568MPa，延伸率δ为8-21%。

一种纳米碳管复合铝导线的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：铝合金配料

按重量百分比：铁Fe 0.44%，铜Cu 0.13%，硅Si 0.061%-0.063%，混合稀土0.036%-0.038%，硼B 0.004%，钒、钛、锰、铬四种元素及其他不可避免杂质总量≤0.01%；余量为铝配料；

步骤二：铝合金熔炼

先将99.7%的工业纯铝锭放入中频感应电炉中熔化，再加入各元素的中间合金；保温，加Al-Re中间合金和Al-B中间合金，搅拌除杂质；精炼、除气；除渣，静置30分钟，温度控制在750℃-800℃之间；期间对炉内成分进行分析和调整；

步骤三：纳米碳管复合

向中频炉内铝合金液体中加入重量百分比为0.47%-1.92%镀铜纳米碳管，搅拌，保温，静置3分钟；

步骤四：连铸连轧

轧机进口温度为：520℃-600℃，出口温度为：310℃-360℃；

步骤五：拉丝

多道次小变形量拉拔，圆铝杆经14道拉丝得到铝线；

步骤六：退火处理

拉丝后退火处理，退火温度为360℃-420℃，退火时间为30分钟；自然冷却得到纳米碳管复合铝导线。

采用镀铜纳米碳管，以防止纳米碳管在复合时与铝发生界面反应生成脆性界面产物Al₄C₃。

采用中温管式炉烘烤镀铜纳米碳管，以除去水蒸气及表面有机物，烘烤温度为220℃-250℃，烘烤时间为30-50分钟。

纳米碳管是以氮气输送由炉底吹入铝液，同时搅拌。

以35ppi多孔陶瓷板过滤，将经镀铜纳米碳管复合后的铝液注入结晶器进行连铸连轧。

所述拉丝工艺为：多道次小变形量拉拔。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

本发明通过纳米碳管与铝复合，在大幅度提高铝合金导线强度的同时改善导电性。

本发明并通过控制熔炼，连铸连轧工艺，拉丝变形工艺，退火处理等工艺措施，以配合纳米碳管与铝的复合。

本发明与现有技术相比，抗拉强度达到500Mpa以上，高导电率，导电率可达到60%IACS以上，高强度高导电率铝合金导线，可以有效增加导线输电能力，进一步降低投资成本，而且重量轻，易于运输和安装。

具体实施方式

通过以下实施例对比，更好的阐述本发明所述的铝合金导线制备方法。

实施例1：

1.铝合金配料：100kg A99.7工业纯铝锭添加:2.5kg的Al-Fe（含Fe20%）中间合金；1kg的Al-Cu（含Cu20%）中间合金。

2.铝合金熔炼：将纯铝锭加入中频感应电炉中熔化，待铝液温度升至800℃，加入2.5kg的Al-Fe中间合金和1kg的Al-Cu中间合金；保温，温度控制在750℃-800℃之间，添加0.5Kg稀土中间合金Al-Re（含Re 9%）和0.2Kg铝硼中间合金Al-B（含B 2.5%）除杂；精炼、除气；除渣，静置30分钟，期间对炉内成分进行分析与调整。

3.纳米碳管复合：纳米碳管镀铜后采用中温管式炉烘烤，以除去水蒸气及表面有机物，烘烤温度为220℃-250℃，烘烤时间为30-50分钟。以氮气输送0.5kg镀铜纳米碳管由炉底吹入铝液中，同时搅拌；保温，静置3分钟；以35ppi多孔陶瓷板过滤，将复合铝液注入结晶器进行连铸连轧。

4.连铸连轧：将复合后温度为750℃-800℃的铝合金液注入结晶器进行连铸连轧。控制铸坯进入轧机的温度为510℃-600℃，轧机出口处圆铝杆温度为310℃-360℃。

5.拉丝：多道次小变形量拉拔，圆铝杆经14道拉丝得到铝线。

6.退火处理：拉丝后对纳米碳管复合铝导线进行退火处理，退火温度360℃，退火时间30分钟，自然冷却。

7.产品成分的重量百分比为：铁Fe 0.44%、铜Cu 0.13%、镀铜纳米碳管0.47%、硅Si 0.062%、钛Ti、钒V、锰Mn和铬Cr等杂质元素之和≤0.01%，稀土0.036%、硼B0.004%，余量为铝Al。

8.产品导线电阻按国家标准GB/T3048.2-2007测试，其电阻率为2.8592×10^-8Ω·m，相当于60.3IACS；抗拉强度按国家标准GB/T228-2002测试，σ=502MPa，延伸率δ=21%。

实施例2：

3.纳米碳管复合：纳米碳管镀铜后采用中温管式炉烘烤，以除去水蒸气及表面有机物，烘烤温度为220℃-250℃，烘烤时间为30-50分钟。以氮气输送纳米碳管由炉底吹入铝液，向中频炉内铝合金液体中加入1kg镀铜纳米碳管，同时搅拌；保温，静置3分钟；以35ppi多孔陶瓷板过滤，将复合铝液注入结晶器进行连铸连轧。

5.拉丝：多道次小变形量拉拔，圆铝杆经14道拉丝得到铝线。

7.产品成分的重量百分比为：铁Fe 0.44%、铜Cu 0.13%、镀铜纳米碳管0.94%、硅Si 0.061%、钛Ti、钒V、锰Mn和铬Cr等杂质元素之和≤0.01%，稀土0.038%、硼B0.004%，余量为铝Al。

8.产品导线电阻按国家标准GB/T3048.2-2007测试，其电阻率为2.8172×10^-8Ω·m，相当于61.2IACS；抗拉强度按国家标准GB/T228-2002测试，σ=526MPa，延伸率δ=15%。

实施例3：（最佳实施例）

3.纳米碳管复合：纳米碳管镀铜后采用中温管式炉烘烤，以除去水蒸气及表面有机物，烘烤温度为220℃-250℃，烘烤时间为30-50分钟。以氮气输送纳米碳管由炉底吹入铝液，向中频炉内铝合金液体中加入1.5kg镀铜纳米碳管，同时搅拌；保温，静置3分钟；以35ppi多孔陶瓷板过滤，将复合铝液注入结晶器进行连铸连轧。

5.拉丝：多道次小变形量拉拔，圆铝杆经14道拉丝得到铝线。

7.产品成分的重量百分比为：铁Fe 0.44%、铜Cu 0.13%、镀铜纳米碳管1.45%、硅Si 0.063%、钛Ti、钒V、锰Mn和铬Cr等杂质元素之和≤0.01%，稀土0.037%、硼B0.004%，余量为铝Al。

8.产品导线电阻按国家标准GB/T3048.2-2007测试，其电阻率为2.7629×10^-8Ω·m，相当于62.4IACS；抗拉强度按国家标准GB/T228-2002测试，σ=552MPa，延伸率δ=12%。

实施例4：

3.纳米碳管复合：纳米碳管镀铜后采用中温管式炉烘烤，以除去水蒸气及表面有机物，烘烤温度为220℃-250℃，烘烤时间为30-50分钟。以氮气输送纳米碳管由炉底吹入铝液，向中频炉内铝合金液体中加入2kg镀铜纳米碳管，同时搅拌；保温，静置3分钟；以35ppi多孔陶瓷板过滤，将复合铝液注入结晶器进行连铸连轧。

5.拉丝：多道次小变形量拉拔，圆铝杆经14道拉丝得到铝线。

7.产品成分的重量百分比为：铁Fe 0.44%、铜Cu 0.13%、镀铜纳米碳管1.92%、硅Si 0.061%、钛Ti、钒V、锰Mn和铬Cr等杂质元素之和≤0.01%，稀土0.036%、硼B0.004%，余量为铝Al。

8.产品导线电阻按国家标准GB/T3048.2-2007测试，其电阻率为2.8034×10^-8Ω·m，相当于61.5IACS；抗拉强度按国家标准GB/T228-2002测试，σ=568MPa，延伸率δ=8%。

Claims

1.一种纳米碳管复合铝导线，其特征在于，所述铝合金导线按重量百分比包含如下元素：铁Fe 0.44%，铜Cu 0.13%，镀铜纳米碳管0.47%-1.92%，硅Si 0.061%-0.063%，混合稀土0.036%-0.038%，硼B 0.004%，铝Al及杂质。

2.根据权利要求1所述的纳米碳管复合铝导线，其中所述混合稀土为镧和铈。

3.根据权利要求1所述的纳米碳管复合铝导线，其中所述杂质中钛Ti、钒V、锰Mn和铬Cr等杂质元素之和≤0.01%。

4.根据权利要求1所述的纳米碳管复合铝导线，其特征在于，所述铝合金导线电阻率为2.7629-2.8592×10^-8Ω·m，即60.3-62.4IACS；抗拉强度σ为502-568MPa，延伸率δ为8-21%。

5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的一种纳米碳管复合铝导线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：铝合金配料

步骤二：铝合金熔炼

先将99.7%的工业纯铝锭放入中频感应电炉中熔化，再加入各元素的中间合金；

保温，加Al-Re中间合金和Al-B中间合金，搅拌除杂质；

精炼、除气；除渣，静置30分钟，温度控制在750℃-800℃之间；

期间对炉内成分进行分析和调整；

步骤三：纳米碳管复合

步骤四：连铸连轧

轧机进口温度为：520℃-600℃，出口温度为：310℃-360℃；

步骤五：拉丝

将圆铝杆经14道拉丝得到铝线；

步骤六：退火处理

拉丝后退火处理，退火温度为360℃-420℃，退火时间为30分钟；

自然冷却得到纳米碳管复合铝导线。

6.根据权利要求5所述制备方法，其中在所述步骤三中，

采用镀铜纳米碳管，以防止纳米碳管在复合时与铝发生界面反应生成脆性界面产物Al₄C₃；

所述镀铜纳米碳管采用中温管式炉烘烤，以除去水蒸气及表面有机物，烘烤温度为220℃-250℃，烘烤时间为30-50分钟。

7.根据权利要求5所述制备方法，其中在所述步骤三中，所述镀铜纳米碳管是以氮气输送由炉底吹入铝液，同时搅拌。

8.根据权利要求5所述制备方法，其中在所述步骤四中，以35ppi多孔陶瓷板过滤，将经镀铜纳米碳管复合后的铝液注入结晶器进行连铸连轧。

9.根据权利要求5所述制备方法，其中在所述步骤五中，所述拉丝工艺为：多道次小变形量拉拔。