CN111455208B - 一种纳米改性铝合金材料与其制备方法及其制造的节能环保电力金具 - Google Patents

一种纳米改性铝合金材料与其制备方法及其制造的节能环保电力金具 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米改性铝合金材料与其制备方法及其制造的节能环保电力金具，该方法包括如下步骤：1)制备硅包覆碳纳米管：将硅粉与碳纳米管混合后进行机械球磨，使硅粉与碳纳米管充分混合，构建核壳结构，得到硅包覆碳纳米管；2)制备纳米改性铝合金材料：将步骤1)所得硅包覆碳纳米管加入铝合金基体中进行半固态搅拌，使添加的硅包覆碳纳米管在铝合金基体中均匀分散，随后升温浇铸，得到纳米改性铝合金材料铸棒。本发明制备的纳米改性铝合金材料较传统的电力金具用可锻铸铁材料具有轻质、高强、免镀锌的优势，且比常规铝合金强度更高。

Description

一种纳米改性铝合金材料与其制备方法及其制造的节能环保 电力金具
技术领域
本发明属于铝基复合材料及电力金具制备的技术领域，具体涉及一种纳米改性铝合金材料与其制备方法及其制造的节能环保电力金具。
背景技术
目前，我国配电线路仍在大规模使用铸铁金具，在运行过程中时刻产生巨大的电能损失，而且，现阶段镀锌难的问题也影响到了铸铁金具的生产和供货。行业内在较早以前，就有了采用铝合金作为节能金具材料，然而铝合金强度不足，限制了它在金具领域的推广使用。实际上，高性能节能金具的发展，材料是最大的瓶颈。
现有技术对铝合金材料强度的提升主要有两种手段，一种是通过添加合金元素，形成合金相对材料起强化作用；另一种是添加增强相如氧化铝、碳化硅等形成铝基复合材料。然而，第一种方法对材料的性能提升较大，但是有一定的局限，且容易导致材料加工性能变差；第二种方法目前主要采用粉末冶金的工艺，能大幅提升基体材料的强度，但是不适合批量化生产。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种加工性能良好且易于批量生产的纳米改性铝合金材料与其制备方法及其制造的节能环保电力金具。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种纳米改性铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
1)制备硅包覆碳纳米管：将硅粉与碳纳米管混合后进行机械球磨，使硅粉与碳纳米管充分混合，构建核壳结构，得到硅包覆碳纳米管；
2)制备纳米改性铝合金材料：将步骤1)所得硅包覆碳纳米管加入铝合金基体中进行半固态搅拌，使添加的硅包覆碳纳米管在铝合金基体中均匀分散，随后升温浇铸，得到纳米改性铝合金材料铸棒。
作为优选实施方式地，所述步骤1)中，硅粉与碳纳米管质量比为7:6～14:3。
作为优选实施方式地，所述步骤2)中，硅包覆碳纳米管的添加质量百分比为铝合金基体的0.1～0.4wt％。
作为优选实施方式地，所述步骤2)中，铝合金基体选用6005铝合金。
作为优选实施方式地，所述步骤2)中，半固态搅拌的温度为600～680℃。
作为优选实施方式地，所述步骤2)中，半固态搅拌的时间为15～60min。
作为优选实施方式地，所述步骤2)中，升温浇铸的温度为700～760℃。
本发明还提供一种纳米改性铝合金材料，所述纳米改性铝合金材料由上述的方法制备而成。
本发明还提供一种节能环保电力金具，所述节能环保电力金具由上述的纳米改性铝合金材料制备而成。
作为优选实施方式地，所述节能环保电力金具的表面自然氧化形成致密的氧化铝层。
作为优选实施方式地，所述节能环保电力金具为球头挂环、碗头挂板、中心回转式悬垂线夹、NX楔形线夹、UT线夹中的一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
其一，本发明提供的纳米改性铝合金材料较传统的电力金具用可锻铸铁材料具有轻质、高强、免镀锌的优势，且比常规铝合金强度更高；纳米改性铝合金密度比铸铁低(轻质)，强度比铸铁及常规铝合金高(高强)；铝合金金具表面会自然氧化生产氧化铝，具有耐腐蚀效果，不需要进行镀锌来防腐(免镀锌、环保)；铝合金磁导率与空气接近，在磁场作用下产生的损耗小，而铸铁是铁磁材料磁损大，因此更加节能，以这种材料制备的新型电力金具具有轻质高强、节能环保的优点，较铸铁金具更能满足线路安全稳定性能需求。
其二，根据能耗试验结果，纳米改性铝合金金具可降低能耗24％左右，如果用它来替代目前使用量大的铸铁金具，每年可以节约电能超过1.6亿千瓦时，相当于每年节省电煤约536万吨，可以发挥巨大的经济社会效益；
其三，本发明的纳米改性铝合金金具表面无需热镀锌，有天然的耐腐蚀性，响应国家环保政策；纳米改性铝合金金具的重量不到相同规格铸铁金具的一半，但强度反而更高，它的破坏载荷提升了30％以上，保证了线路安全可靠性，同时可以让运输、安装和维护变得非常方便。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的硅包覆碳纳米管SEM照片，图(a)为放大200倍，图(b)为放大4000倍；
图2为本发明实施例6制备的纳米改性铝合金材料拉伸断口SEM照片，图(a)为放大1000倍，图(b)为放大5000倍。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
实施例1
一种纳米改性铝合金材料的制备方法，具体步骤如下：
1)将硅粉与碳纳米管以质量比7:3混合后进行机械球磨，通过控制球磨工艺参数，使硅粉与碳纳米管充分混合，构建核壳结构，得到硅包覆碳纳米管；
2)将步骤1)所得硅包覆碳纳米管加入6005铝合金基体中进行半固态搅拌，硅包覆碳纳米管的添加量为0.25wt％，搅拌温度600℃，搅拌时间30min，随后升温至740℃进行浇铸，得到纳米改性铝合金铸棒。
如图1所示为球磨后的硅包覆碳纳米管SEM照片，碳纳米管与硅粉的混合粉末受到球磨介质的反复冲撞，承受了冲击、剪切、摩擦和压缩等多种力的共同作用，经历了反复的挤压、冷焊合及粉碎等过程，最终硅粉与碳纳米管充分混合，得到核壳结构的硅包覆碳纳米管，由于硅能固溶到铝液中，同时硅粉对碳纳米管的包裹能增加碳纳米管与铝液的润湿性，对后续硅包覆碳纳米管加入铝基体中起到了很大作用。
对本实施例制备的纳米改性铝合金材料进行性能测试，测试结果见表1。
实施例2
一种纳米改性铝合金材料的制备方法，制备方法与实施例1相似，不同之处在于硅粉与碳纳米管质量比为7:6。
对本实施例制备的纳米改性铝合金材料进行性能测试，测试结果见表1。
实施例3
一种纳米改性铝合金材料的制备方法，制备方法与实施例1相似，不同之处在于硅粉与碳纳米管质量比为14:3。
对本实施例制备的纳米改性铝合金材料进行性能测试，测试结果见表1。
实施例4
一种纳米改性铝合金材料的制备方法，制备方法与实施例1相似，不同之处在于硅包覆碳纳米管的添加量为0.1wt％。
对本实施例制备的纳米改性铝合金材料进行性能测试，测试结果见表1。
实施例5
一种纳米改性铝合金材料的制备方法，制备方法与实施例1相似，不同之处在于硅包覆碳纳米管的添加量为0.4wt％。
对本实施例制备的纳米改性铝合金材料进行性能测试，测试结果见表1。
实施例6
一种纳米改性铝合金材料的制备方法，制备方法与实施例1相似，不同之处在于半固态搅拌温度为640℃。
如图2所示为本实施例制备材料拉伸断口SEM照片，由图(a)可见复合材料的断口呈现出具有典型韧性断裂特征的韧窝和撕裂棱，韧窝的直径在0.3～0.8μm。由图(b)可见，在拉伸过程中，材料从韧窝处断裂，并没有观察到碳纳米管从基体中拔出的现象，说明了碳纳米管与基体金属间存在很高的结合强度。
对本实施例制备的纳米改性铝合金材料进行性能测试，测试结果见表1。
实施例7
一种纳米改性铝合金材料的制备方法，制备方法与实施例1相似，不同之处在于半固态搅拌温度为680℃。
对本实施例制备的纳米改性铝合金材料进行性能测试，测试结果见表1。
实施例8
一种纳米改性铝合金材料的制备方法，制备方法与实施例1相似，不同之处在于半固态搅拌时间为15min。
对本实施例制备的纳米改性铝合金材料进行性能测试，测试结果见表1。
实施例9
一种纳米改性铝合金材料的制备方法，制备方法与实施例1相似，不同之处在于半固态搅拌时间为45min。
对本实施例制备的纳米改性铝合金材料进行性能测试，测试结果见表1。
实施例10
一种纳米改性铝合金材料的制备方法，制备方法与实施例1相似，不同之处在于半固态搅拌时间为60min。
对本实施例制备的纳米改性铝合金材料进行性能测试，测试结果见表1。
实施例11
一种纳米改性铝合金材料的制备方法，制备方法与实施例1相似，不同之处在于浇铸温度为700℃。
对本实施例制备的纳米改性铝合金材料进行性能测试，测试结果见表1。
实施例12
一种纳米改性铝合金材料的制备方法，制备方法与实施例1相似，不同之处在于浇铸温度为760℃。
对本实施例制备的纳米改性铝合金材料进行性能测试，测试结果见表1。
实施例13
以上述纳米改性铝合金材料制备的节能环保电力金具，金具型号分别为：QP-7球头挂环、W-7碗头挂板、W-7B碗头挂板、WS-7碗头挂板、W-10碗头挂板、WS-10碗头挂板、XGU-3悬垂线夹、NX-1耐张线夹、NX-2耐张线夹、NX-3耐张线夹、NUT-1耐张线夹、NUT-2耐张线夹、NUT-3耐张线夹，对其机械性能进行测试，测试结果见表2。
实施例14
以上述纳米改性铝合金材料制备的W-7B碗头挂板，在不通电流下对其能耗进行测试，试验过程参照DL/T 1288-2013《电力金具能耗测试与节能技术评价要求》，测试结果见表3。
实施例15
以上述纳米改性铝合金材料制备的W-7B碗头挂板，对其耐腐蚀性能进行测试并与铸铁金具对比，测试过程参照GB/T10125-2012《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》，测试结果见表4。
表1
Figure BDA0002511854820000071
Figure BDA0002511854820000081
由表1可看出，本发明实施例提供的纳米改性铝合金材料的抗拉强度较基体提升了50％以上，同时延伸率也增大了，加工性能更为优异。此外，相对铸铁材料(抗拉强度330MPa)以及铸造铝合金材料(抗拉强度200MPa)，力学性能也有较大提升。
表2
Figure BDA0002511854820000082
表3
电流/A 铸铁金具能耗/W 纳米改性铝合金金具能耗/W
120 3.02 2.37
185 7.69 5.95
240 13.00 9.89
表4
Figure BDA0002511854820000091
以这种材料制备的新型节能环保电力金具重量不到相同规格铸铁金具的一半，但强度反而更高，它的破坏载荷提升了30～100％，可以让运输、安装和维护变得非常方便，更能满足线路安全稳定性能需求；根据能耗试验结果，纳米改性铝合金金具可降低能耗20～25％，减小线路运行损耗；同时，而纳米改性铝合金金具无需再热镀锌，有天然的耐腐蚀特性，响应国家环保政策。
以上，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，其余未详细说明的为现有技术，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种纳米改性铝合金材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)制备硅包覆碳纳米管：将硅粉与碳纳米管混合后进行机械球磨，使硅粉与碳纳米管充分混合，构建核壳结构，得到硅包覆碳纳米管；
2)制备纳米改性铝合金材料：将步骤1)所得硅包覆碳纳米管加入铝合金基体中进行半固态搅拌，使添加的硅包覆碳纳米管在铝合金基体中均匀分散，随后升温浇铸，得到纳米改性铝合金材料铸棒；
所述步骤1)中，硅粉与碳纳米管质量比为7:6～14:3；
所述步骤2)中，硅包覆碳纳米管的添加质量百分比为铝合金基体的0.1～0.4wt％。
2.根据权利要求1所述的纳米改性铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述铝合金基体采用6005铝合金。
3.根据权利要求1所述的纳米改性铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，半固态搅拌的温度为600～680℃，搅拌时间为15～60min。
4.根据权利要求1所述的纳米改性铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，升温浇铸的温度为700～760℃。
5.一种纳米改性铝合金材料，其特征在于：所述纳米改性铝合金材料由权利要求1～4任一项所述的方法制备而成。
6.一种节能环保电力金具，其特征在于：所述节能环保电力金具由权利要求5所述的纳米改性铝合金材料制备而成。
7.根据权利要求6所述的节能环保电力金具，其特征在于：所述节能环保电力金具的表面自然氧化形成致密的氧化铝层。
8.根据权利要求6所述的节能环保电力金具，其特征在于：所述节能环保电力金具为球头挂环、碗头挂板、中心回转式悬垂线夹、NX楔形线夹、UT线夹中的一种。
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Record date: 20210521

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200728

Assignee: Hunan Jingao Electric Equipment Co.,Ltd.

Assignor: Wuhan Nari Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute

Contract record no.: X2021420000018

Denomination of invention: The invention relates to a nano modified aluminum alloy material, a preparation method thereof and an energy-saving and environment-friendly power fitting thereof

Granted publication date: 20210309

License type: Common License

Record date: 20210624

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200728

Assignee: SHANXI TENGYAO POWER EQUIPMENT TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: Wuhan Nari Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute

Contract record no.: X2021420000019

Denomination of invention: The invention relates to a nano modified aluminum alloy material, a preparation method thereof and an energy-saving and environmental protection power fitting manufactured by the same

Granted publication date: 20210309

License type: Common License

Record date: 20210719

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
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Application publication date: 20200728

Assignee: HEBEI BLACK BULL POWER FITTING CO.,LTD.

Assignor: Wuhan Nari Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute

Contract record no.: X2022420000002

Denomination of invention: The invention relates to a nano modified aluminum alloy material, a preparation method thereof and an energy-saving and environmental protection power fitting manufactured by the same

Granted publication date: 20210309

License type: Common License

Record date: 20220104

Application publication date: 20200728

Assignee: HEBEI TIANCHUANG ELECTRIC MATERIAL MANUFACTURING Co.,Ltd.

Assignor: Wuhan Nari Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute

Contract record no.: X2022420000001

Denomination of invention: The invention relates to a nano modified aluminum alloy material, a preparation method thereof and an energy-saving and environmental protection power fitting manufactured by the same

Granted publication date: 20210309

License type: Common License

Record date: 20220104

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200728

Assignee: Tianjin Zhongxiang Electric Co.,Ltd.

Assignor: Wuhan Nari Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute

Contract record no.: X2022420000016

Denomination of invention: The invention relates to a nano modified aluminum alloy material, a preparation method thereof and an energy-saving and environmental protection power fitting manufactured by the same

Granted publication date: 20210309

License type: Common License

Record date: 20220228

Application publication date: 20200728

Assignee: HONGQI GROUP ELECTRIC POWER FITTINGS Co.,Ltd.

Assignor: Wuhan Nari Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute

Contract record no.: X2022420000015

Denomination of invention: The invention relates to a nano modified aluminum alloy material, a preparation method thereof and an energy-saving and environmental protection power fitting manufactured by the same

Granted publication date: 20210309

License type: Common License

Record date: 20220225

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200728

Assignee: SHANDONG HUIFENG EQUIPMENT Co.,Ltd.

Assignor: Wuhan Nari Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute

Contract record no.: X2022420000111

Denomination of invention: A nano modified aluminum alloy material and its preparation method as well as the energy-saving and environment-friendly electric power fittings

Granted publication date: 20210309

License type: Common License

Record date: 20221010