CN110453161A - 一种高强度高导电铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度高导电铝基复合材料，其重量百分比组成为：铝98.9%~99.6%，碳纤维0.3%~0.8%，石墨烯0.1%~0.3%。本发明的高强度高导电铝基复合材料制备工艺简单，其强度和电导率均高于架空绞线用硬铝线，可以应用于架空输电导线的制造。

Description

一种高强度高导电铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料，特别涉及一种高强度高导电铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
铝是架空输电导线常用的导体材料。虽然纯铝具有高的电导率，可以减少输电线路损耗，但其强度较低，用于架空输电导线时需要与高强度的钢质材料绞合，以钢芯铝绞线的结构形式达到架空输电导线的强度和导电要求。为了实现远距离和大容量输电，中强度和高强度铝合金材料开始用于架空输电导线。此类中高强度铝合金是以硅、镁和锆等合金元素进行强化，在提高导线强度的同时降低了其导电性能，增加了架空输电线路的电能损耗，这就限制了其在超高压和特高压架空输电线路的大规模应用。
石墨烯具有高的载流子迁移率和双极电场效应，可以减少绝缘通道，提高导电性。同时，时效处理析出的沉淀物、位错胞和亚颗粒，不仅降低了晶格变形，而且大幅度提高强度，因此，石墨烯/铝复合材料已成为获得高强度和高导电性能的理想材料。但是石墨烯分散性差，当铝基体中石墨烯含量较高时，极容易出现团聚现象，反而降低了复合材料的性能。
中国专利CN109628789A公开了一种石墨烯复合铝合金材料，采用氮气携带石墨烯材料源的方式，能够获得石墨烯分散较为均匀的石墨烯复合铝合金材料。但是，惰性气体的使用，不仅增加了生产工序，而且也提高了生产成本。中国专利CN109593980A公开了一种掺杂少层石墨烯的铝基复合材料的制备方法，利用分散剂超声振荡和球磨方式保持铝粉和少层石墨烯粉混合均匀。但液态分散剂易降低烧结体的致密度，球磨易破坏石墨烯粉的结构，因此需严格控制制备工艺反应条件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝基复合材料及其制备方法，利用碳纤维的纤维导向作用实现石墨烯在铝基体中均匀分散，获得高强度高导电铝基复合材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高强度高导电铝基复合材料，其重量百分比组成为：铝98.9%~99.6%，碳纤维 0.3%~0.8%，石墨烯 0.1%~0.3%。
优选的，所述的铝纯度为99.5%~99.9%，铝粉粒径55~178mm。
优选的，所述的碳纤维直径为5~8mm，长度为90~300mm。
优选的，所述的石墨烯的片层厚度为5.5~10.5nm。
所述的高强度高导电铝基复合材料，其制备方法是按规定的重量百分比称取碳纤维和石墨烯粉末，在混粉机内混合50min~60min，然后把混合粉末加入到铝粉内，继续混粉90min~120min。把获得的混和粉末在200MPa~300MPa压力下压制成粉坯体，然后在氮气保护下600℃~620℃保温20min烧结成型。最后烧结体在250℃~300℃温度下经历5~8道拉拔就能够制成铝基复合材料线材。
本发明的高强度高导电铝基复合材料，利用碳纤维与石墨烯的亲和作用在机械混粉过程中能够把高导电的石墨烯均匀分散在碳纤维表面，通过对碳纤维表面改性，提高其导电性。烧结过程中可以把表面附着石墨烯的碳纤维均匀分散在铝基体的晶界，热挤压过程使碳纤维和铝基体晶粒织构方向保持一致。碳纤维分散在铝基体晶界，起到晶界强化作用，提高铝基体的强度。在电子传输过程中,存在于晶界处的碳纤维正好构建了高速公路，电子会沿着碳纤维表面的石墨烯通道快速传输，降低了铝晶粒界面处的电子散射，从而提高铝基体的导电性。
与现有技术相比，本发明的高强度高导电铝基复合材料，利用碳纤维的导向作用均匀分散石墨烯，获得高强度和高导电的铝基复合材料，与纯铝基体相比，抗拉强度提高60%~75%，电导率提高2%~5%，可以广泛应用于架空输电导线。同时，本发明制备工艺简单，便于实现工业化生产。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例进一步说明。
实施例1
一种高强度高导电铝基复合材料，其重量百分比为：铝98.9%，碳纤维 0.8%，石墨烯0.3%。
其制备方法是按规定的重量百分比称取直径5mm、长度为90mm的碳纤维和片层厚度为5.5nm的石墨烯粉末，在混粉机内混合50min，然后把混合粉末加入到粒径为55mm、纯度为99.5%的铝粉内，继续混粉90min。把获得的混和粉末在200MPa压力下压制成粉坯体，然后在氮气保护下600℃保温20min烧结成型。最后烧结体在250℃温度下经历5道拉拔就能够制成铝基复合材料线材。
实施例2
一种高强度高导电铝基复合材料，其重量百分比为：铝99.0%，碳纤维 0.7%，石墨烯0.3%。
其制备方法是按规定的重量百分比称取直径6mm、长度为100mm的碳纤维和片层厚度为7.0nm的石墨烯粉末，在混粉机内混合55min，然后把混合粉末加入到粒径为100mm、纯度为99.6%的铝粉内，继续混粉100min。把获得的混和粉末在220MPa压力下压制成粉坯体，然后在氮气保护下610℃保温20min烧结成型。最后烧结体在280℃温度下经历6道拉拔就能够制成铝基复合材料线材。
实施例3
一种高强度高导电铝基复合材料，其重量百分比为：铝99.1%，碳纤维 0.7%，石墨烯0.2%。
其制备方法是按规定的重量百分比称取直径6mm、长度为200mm的碳纤维和片层厚度为8.5nm的石墨烯粉末，在混粉机内混合60min，然后把混合粉末加入到粒径为150mm、纯度为99.7%的铝粉内，继续混粉120min。把获得的混和粉末在300MPa压力下压制成粉坯体，然后在氮气保护下620℃保温20min烧结成型。最后烧结体在300℃温度下经历7道拉拔就能够制成铝基复合材料线材。
实施例4
一种高强度高导电铝基复合材料，其重量百分比为：铝99.2%，碳纤维 0.6%，石墨烯0.2%。
其制备方法是按规定的重量百分比称取直径7mm、长度为150mm的碳纤维和片层厚度为9.5nm的石墨烯粉末，在混粉机内混合55min，然后把混合粉末加入到粒径为85mm、纯度为99.8%的铝粉内，继续混粉100min。把获得的混和粉末在260MPa压力下压制成粉坯体，然后在氮气保护下610℃保温20min烧结成型。最后烧结体在270℃温度下经历8道拉拔就能够制成铝基复合材料线材。
实施例5
一种高强度高导电铝基复合材料，其重量百分比为：铝99.3%，碳纤维 0.5%，石墨烯0.2%。
其制备方法是按规定的重量百分比称取直径8mm、长度为250mm的碳纤维和片层厚度为10.5nm的石墨烯粉末，在混粉机内混合60min，然后把混合粉末加入到粒径为178mm、纯度为99.9%的铝粉内，继续混粉110min。把获得的混和粉末在290MPa压力下压制成粉坯体，然后在氮气保护下620℃保温20min烧结成型。最后烧结体在290℃温度下经历6道拉拔就能够制成铝基复合材料线材。
实施例6
一种高强度高导电铝基复合材料，其重量百分比为：铝99.4%，碳纤维 0.5%，石墨烯0.1%。
其制备方法是按规定的重量百分比称取直径6mm、长度为300mm的碳纤维和片层厚度为8.5nm的石墨烯粉末，在混粉机内混合50min，然后把混合粉末加入到粒径为98mm、纯度为99.7%的铝粉内，继续混粉120min。把获得的混和粉末在300MPa压力下压制成粉坯体，然后在氮气保护下600℃保温20min烧结成型。最后烧结体在300℃温度下经历7道拉拔就能够制成铝基复合材料线材。
实施例7
一种高强度高导电铝基复合材料，其重量百分比为：铝99.5%，碳纤维 0.4%，石墨烯0.1%。
一种高强度高导电铝基复合材料，其重量百分比为：铝99.4%，碳纤维 0.5%，石墨烯 0.1%。
其制备方法是按规定的重量百分比称取直径7mm、长度为250mm的碳纤维和片层厚度为9.5nm的石墨烯粉末，在混粉机内混合55min，然后把混合粉末加入到粒径为158mm、纯度为99.6%的铝粉内，继续混粉100min。把获得的混和粉末在240MPa压力下压制成粉坯体，然后在氮气保护下610℃保温20min烧结成型。最后烧结体在280℃温度下经历5道拉拔就能够制成铝基复合材料线材。
实施例8
一种高强度高导电铝基复合材料，其重量百分比为：铝99.6%，碳纤维 0.3%，石墨烯0.1%。
其制备方法是按规定的重量百分比称取直径8mm、长度为300mm的碳纤维和片层厚度为10.5nm的石墨烯粉末，在混粉机内混合60min，然后把混合粉末加入到粒径为178mm、纯度为99.9%的铝粉内，继续混粉120min。把获得的混和粉末在300MPa压力下压制成粉坯体，然后在氮气保护下620℃保温20min烧结成型。最后烧结体在300℃温度下经历8道拉拔就能够制成铝基复合材料线材。
铝基复合材料的抗拉强度和电导率测试结果如表1所示。可以看出，本发明中实施例1-8所制备的铝基复合材料较GB/T17048-2017规定的架空绞线用硬铝线的抗拉强度（160MPa）和电导率（62%IACS）均有大幅度的提升，抗拉强度提高60%~75%，电导率提高2%~5%。因此，本发明的铝基复合材料不仅制备工艺简单，适合工业化规模生产；而且同时提高铝基材料的强度和导电性，满足架空输电导线使用要求。
表1
样品 碳纤维重量含量 石墨烯重量含量 抗拉强度 电导率
实施例1 0.8% 0.3% 280MPa 63.24%IACS
实施例2 0.7% 0.3% 275MPa 64.12%IACS
实施例3 0.7% 0.2% 262MPa 63.54%IACS
实施例4 0.6% 0.2% 270MPa 64.87%IACS
实施例5 0.5% 0.2% 260MPa 65.09%IACS
实施例6 0.5% 0.1% 263MPa 64.06%IACS
实施例7 0.4% 0.1% 260MPa 63.76%IACS
实施例8 0.3% 0.1% 256MPa 65.10%IACS

Claims (5)

1.一种高强度高导电铝基复合材料，特征是，其重量百分比组成为：铝98.9%~99.6%，碳纤维 0.3%~0.8%，石墨烯 0.1%~0.3%。
2.按照权利要求1所述的一种高强度高导电铝基复合材料，其特征是，所述的铝纯度为99.5%~99.9%，铝粉粒径55~178mm。
3.按照权利要求1所述的一种高强度高导电铝基复合材料，其特征是，所述的碳纤维直径为5~8mm，长度为90~300mm。
4.按照权利要求1所述的一种高强度高导电铝基复合材料，其特征是，所述的石墨烯的片层厚度为5.5~10.5nm。
5.按照权利要求1所述的一种高强度高导电铝基复合材料，所述的制备方法是，按规定的重量百分比称取碳纤维和石墨烯粉末，在混粉机内混合50min~60min，然后把混合粉末加入到铝粉内，继续混粉90min~120min，把获得的混和粉末在200MPa~300MPa压力下压制成粉坯体，然后在氮气保护下600℃~620℃保温20min烧结成型，最后烧结体在250℃~300℃温度下经历5~8道拉拔就能够制成铝基复合材料线材。
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