CN111472033B - 一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线及其制备方法 - Google Patents

一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111472033B
CN111472033B CN202010320809.8A CN202010320809A CN111472033B CN 111472033 B CN111472033 B CN 111472033B CN 202010320809 A CN202010320809 A CN 202010320809A CN 111472033 B CN111472033 B CN 111472033B
Authority
CN
China
Prior art keywords
aluminum alloy
mxene
composite coating
alloy wire
reinforced aluminum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010320809.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111472033A (zh
Inventor
王亚明
王树棋
邹永纯
贾德昌
周玉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN202010320809.8A priority Critical patent/CN111472033B/zh
Publication of CN111472033A publication Critical patent/CN111472033A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111472033B publication Critical patent/CN111472033B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/026—Anodisation with spark discharge
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/20—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by extruding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/12—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of wires
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H01B1/023—Alloys based on aluminium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

本发明提供了一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线及其制备方法，所述制备方法通过高能球磨法将MXene纳米片与铝合金粉末混合，挤压成型致密化处理得到MXene增强铝合金导线基体，并配置包括有低表面能有机纳米乳液的等离子体辅助微弧诱导电解液，在MXene增强铝合金导线基体表面利用等离子体辅助微弧诱导一步形成超疏水复合涂层，得到具有复合涂层的MXene增强铝合金导线。本发明通过将MXene作为增强材料来替代传统铝合金导线中的部分铝，改善铝导线的强度和导电性，并在此基础上，利用等离子体辅助微弧诱导一步形成微纳米有机无机超疏水复合涂层，获得具有较好的强度、导电性，同时在超高压/大电流输电过程中具备优异的防水防冰自清洁性能的铝合金导线。

Description

一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金材料技术领域，具体而言，涉及一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线及其制备方法。
背景技术
近年来，电力系统代替液压气动系统成为趋势，对于高架输电线电力输送的电压和电流的要求也越来越高。目前通常使用铜导线作为输电线，铜的价格昂贵、重量重、易断裂、易腐蚀，导致其在大型跨越电线电缆上的应用受到了很大的限制。
而铝材质由于其重量轻、价格便宜、加工性好，在大跨度、远距离、超高压/大电流输电和大规模应用方面凸显出优势。但铝材质由于其导电率低、强度低、耐蚀性差等问题，不能满足实际环境的性能需求。与此同时，为提高防水性，现有的铝合金导线通常在缆芯上涂覆有防水涂层，在防水涂层与绝缘层之间设置有内屏蔽层，在缆芯的导体间隙中填充有阻水填充物，此方法不仅工艺复杂，且增加了铝合金导线的重量，这些问题严重影响了铝合金导线的广泛应用
发明内容
本发明解决的问题是：如何提供一种具有超疏水性且导电好、强度高、轻量化的铝合金导线。
为解决上述问题，本发明提供一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的制备方法，包括：
将MAX相粉体分散于氢氟酸溶液中进行刻蚀反应，得到MXene纳米片；
将所述MXene纳米片加入到溶剂中超声分散，然后加入铝合金粉形成混合液，将所述混合液进行球磨，得到粘稠状复合粉体；
将所述复合粉体挤压成型，得到MXene增强铝合金导线基体；
将所述MXene增强铝合金导线基体的表面进行预处理，并配置等离子体辅助微弧诱导电解液；
将预处理后的MXene增强铝合金导线基体置于所述等离子体辅助微弧诱导电解液内，以不锈钢板或不锈钢池为阴极、所述预处理后的MXene增强铝合金导线基体为阳极，进行等离子体辅助微弧诱导反应，在所述预处理后的MXene增强铝合金导线基体表面形成超疏水复合涂层，从而制得具有复合涂层的MXene增强铝合金导线。
可选地，所述MAX相粉体的制备包括：将MAX相陶瓷材料纳米粉体在无氧环境下进行烧结，得到固溶型MAX相陶瓷体，然后将所述固溶型MAX相陶瓷体进行研磨、过筛得到MAX相粉体。
可选地，所述将MAX相粉体分散于氢氟酸溶液中进行刻蚀反应，包括：
将MAX相粉体加入到质量浓度为20-60％的氢氟酸溶液中，搅拌18-48h，然后水洗离心至滤液为中性，最后将所得粉末在40-80℃下干燥10-30h。
可选地，所述球磨的条件包括球磨转速为200-1000r/min和球磨时间为1-5h。
可选地，所述挤压成型的温度为400-600℃、压力为800-1200MPa。
可选地，所述将所述MXene增强铝合金导线基体的表面进行预处理包括：将所述MXene增强铝合金导线基体的表面依次用800#和1200#砂纸抛光，然后分别用酒精、去离子水进行超声清洗。
可选地，所述等离子体辅助微弧诱导电解液包括水玻璃、钨酸钠和低表面能有机纳米乳液，其中，所述水玻璃与所述钨酸钠浓度的浓度比为(7-8)：(4-5)，所述低表面能有机纳米乳液的体积份数为10％-20％。
可选地，所述等离子体辅助微弧诱导反应的参数包括：电解液温度为70-90℃、脉冲电压为600-1000V、电流密度为5000-30000A/m2以及反应时间为20-40min。
相对于现有技术，本发明提供的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的制备方法具有以下优势：
(1)本发明通过将MXene作为增强材料来替代传统铝合金导线中的部分铝，改善铝导线的强度和导电性，并在此基础上，利用等离子体辅助微弧诱导一步形成微纳米有机无机超疏水复合涂层，从而获得既具有较好的强度、导电性，又可实现低成本、轻量化，同时在超高压/大电流输电过程中具有耐蚀性、电绝缘性以及具备优异的防水防冰自清洁和耐候性能的铝合金导线。
(2)本发明提供的制备方法工艺简单、制备成本低、设计性强、可大规模应用，不仅大幅度提高了铝合金的导电性，且由于导电性高，在铝合金基体表面上制备复合涂层时，更容易形成钝化膜，使涂层更快速生长；此外，制备的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线组织结构均匀、表面质量高，具有高强度、高电导率和高热导率，且具有超疏水性、耐腐蚀、抗冰性好的特点。
本发明另一目的在于提供一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线，以解决现有铝合金导线疏水性差、环境稳定性差以及导电性不好的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案时这样实现的：
一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线，根据上述所述的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的制备方法制得，所述的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线包括MXene增强铝合金导线基体以及覆盖在所述MXene增强铝合金导线基体表面的超疏水复合涂层，所述超疏水复合涂层包括陶瓷层和有机纳米层，所述陶瓷层的两侧分别与所述MXene增强铝合金导线基体和所述有机纳米层紧密结合。
可选地，所述超疏水复合涂层的厚度为30-100μm。
所述具有复合涂层的MXene增强铝合金导线与上述具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的制备方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例所述的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的制备流程图；
图2为本发明实施例所述的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的表面的SEM图谱；
图3为本发明实施例所述的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的截面的SEM图谱；
图4为本发明实施例所述的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的电绝缘性对比图；
图5为本发明实施例所述的MXene增强铝合金导线基体与超疏水复合涂层的极化曲线；
图6为本发明实施例所述的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的疏水自清洁对比图，其中从上到下，污染物分别为墨水、含有沙和陶瓷氧化铜模拟污染物粉体。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
另外，术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。
此外，本发明虽然对制备中的各步骤进行了如S1、S2、S3等形式的描述，但此描述方式仅为了便于理解，如S1、S2、S3等形式并不表示对各步骤先后顺序的限定。
为解决铝材质导电率低、强度低、耐蚀性差、防水性不好等问题，有报道可以利用石墨烯和碳纳米管来增强铝合金导线使石墨烯与铝结合紧密，发挥石墨烯的增强作用和导电作用，且通过在导线外涂敷防护涂层来达到防护效果。然而上述方法均有一定的限制，无法保证铝合金导线具有较好的导电性、强度以及自重轻的同时，在超高压/大电流输电过程中还具有较好的耐蚀性、电绝缘性以及超疏水性能。
为解决上述问题，本发明提供了一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线及其制备方法，发明人创造性地通过过渡金属碳化物(MXene)作为增强材料来替代传统铝合金导线中的部分铝，改善铝导线的强度和导电性，并在此基础上，利用等离子体辅助微弧诱导一步形成微纳米有机无机超疏水复合涂层，从而获得既具有较好的强度、导电性，又可实现低成本、轻量化，同时在超高压/大电流输电过程中具有耐蚀性、电绝缘性以及具备优异的防水防冰自清洁和耐候性能的铝合金导线。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
结合图1所示，本发明提供了一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的制备方法，具体包括步骤：
S1、将MAX相粉体分散于氢氟酸溶液中进行刻蚀反应，得到MXene纳米片；
S2、将MXene纳米片加入到溶剂中超声分散，然后加入铝合金粉形成混合液，将混合液进行球磨，得到粘稠状复合粉体；
S3、将复合粉体挤压成型，得到MXene增强铝合金导线基体；
S4、将MXene增强铝合金导线基体的表面进行预处理，并配置等离子体辅助微弧诱导电解液；
S5、将预处理后的MXene增强铝合金导线基体置于等离子体辅助微弧诱导电解液内，以不锈钢板或不锈钢池为阴极、预处理后的MXene增强铝合金导线基体为阳极，进行等离子体辅助微弧诱导反应，在预处理后的MXene增强铝合金导线基体表面形成超疏水复合涂层，从而制得具有复合涂层的MXene增强铝合金导线。
二维过渡金属碳化物或碳氮化物，即MXenes，是一种具有二维片层结构的新型材料，一般可用Mn+1XnTz表示，其中M指过渡族金属(如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Sc等)；X指C或/和N，n为1-3；Tz指表面基团(如02-、OH-、F-、NH3、NH4+等)。目前，MXenes一般来源于三元层状金属陶瓷Mn+1AXn(简称MAX相)，其中M为过渡金属元素、A为主族元素、X为C和/或N，n一般为1-3，通过将MAX相中结合较弱的A位元素(如Al、Si等原子)抽出而得到。在本发明实施例中，MAX相为Ti3AlC2、Ti2AlC、Cr2AlC中的至少一种。
MXene作为一种新型二维材料，具有较高的比表面积、导电网络和良好的抗团聚性，可以为离子的运动提供了更多的通道，加速离子和电子的转移，因而具有极强的导电性能。其单层结构具有高导电率、高弹性模量，高比表面积及高弯曲强度等性能特点，而多层的MXenes具有“类手风琴”结构，不易团聚，同时，其表面带有的丰富基团可以作为各种离子的适配体，因此，MXenes材料完全可以作为导线的增强体来替代传统电线中的部分铝材料。
此外，相比于现有技术中将石墨烯来增强铝合金导线，利用其褶皱状结构，在受力的过程中存在褶皱先舒展再断裂的过程，从而提高铝合金材料的力学性、导电导热性能。本发明实施例提供的制备方法中，将MXene纳米片作为增强材料，MXene纳米片由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成，其表面具有羟基或环氧基，具有比石墨烯更好的电子导电率，并且通过纳米片致密平行堆叠、形成有序连贯导电网络，使得MXene纳米片增强的铝合金导线具有高导电、导热等性能。而且Mxene表面存在特殊的微褶皱，能与铝合金界面产生良好的电子连接效应，具有强的界面结合、好的耐磨性和优异的力学性能等优点。此外，石墨烯在溶液中的分散性一直是研究的难点和难以解决的问题，而本发明的MXene纳米片具有良好的抗团聚性，能均匀分散在一起，更容易形成稳定的粘稠状复合胶体，从而更易构筑出MXene增强铝导线基体。
由此，本发明实施例通过高能球磨法将MXene纳米片与铝合金粉末混合，挤压成型致密化处理得到MXene增强铝合金导线基体，并配置包括有低表面能有机纳米乳液的等离子体辅助微弧诱导电解液，在MXene增强铝合金导线基体表面通过利用等离子体辅助微弧诱导一步形成微纳米有机无机超疏水复合涂层，从而得到具有复合涂层的MXene增强铝合金导线。
本发明提供的制备方法工艺简单、制备成本低、设计性强、可大规模应用，由于铝合金导线内添加了MXene纳米片，不仅大幅度提高了铝合金的导电性，同时，由于导电性高，在铝合金基体表面上制备复合涂层时，更容易形成钝化膜，使涂层更快速生长。此外，制备的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线组织结构均匀、表面质量高，具有高强度、高电导率和高热导率，且具有超疏水性、耐腐蚀、抗冰性好的特点。
具体地，在步骤S1中，将MAX相粉体分散于氢氟酸溶液中进行刻蚀反应，包括：将MAX相粉体缓慢加入到质量浓度为20-60％的氢氟酸溶液中，搅拌18-48h，然后水洗离心至滤液为中性，最后将所得粉末在40-80℃下干燥10-30h。
其中，氢氟酸溶液与MAX相粉体的质量比为1:3-1:5。
MAX相粉体可以通过常用现有技术制得，在本发明实施例中，MAX相粉体的制备包括步骤：将MAX相陶瓷材料纳米粉体在无氧环境下进行烧结，得到固溶型MAX相陶瓷体，然后将固溶型MAX相陶瓷体进行研磨、过筛得到MAX相粉体。其中，烧结时间2-6h，烧结温度1000-1500℃。
在本发明实施例中，MAX相为Ti3AlC2、Ti2AlC、Cr2AlC中的至少一种。制备的MAX相陶瓷粉体的细度为325-500目；颗粒越小，反应物之间的接触面积越大，越有利于刻蚀，缩短刻蚀时间，但制备过细的粉体成本较高，在生产中，可以根据实际需求调整MAX相粉体的细度。
步骤S2具体包括：将步骤S1制备的MXene纳米片和溶剂混合并超声分散，加入铝及其合金的粉末中，搅拌均匀形成混合液，将混合液置于聚四氟乙烯球磨罐中，在转速200-1000r/min条件下球磨1-5h，制备出粘稠状的复合粉体；其中，球磨过程采用聚四氟乙烯磨球，球料质量比为10:1。控制球磨时间，既一定程度上保证了MXene纳米片结构的完整性，又使得MXene纳米片的均匀分散，以调节MXene纳米片在铝合金导线中的灵活性、方向性、载流子迁移各向异性及机械力学等性能。
其中，溶剂包括无水乙醇、异丙醇和甲醇中的一种或多种，在湿法球磨过程中，通过加入有机溶剂可以改善对片状粉末的形状调控。
铝合金包括1xxx、5xxx、6xxx系铝合金或纯铝中的一种或多种。
步骤S3对复合粉体进行致密化处理，具体包括，将粘稠的复合粉体加入挤出成型机内，在温度400-600℃、压力800-1200MPa下，挤压成型得到MXene增强铝合金导线基体。
MXene增强铝合金导线基体基于粉末冶金工艺，简便易行成本低，有利于推动MXene增强复合材料的工程化应用。
在步骤S4中，所述将MXene增强铝合金导线基体的表面进行预处理包括：将MXene增强铝合金导线基体的表面依次用800#和1200#砂纸抛光，以除去导线基体表面及边角的毛刺，减少导线基体的粗糙度；然后用酒精进行超声清洗，超声清洗时间为10-60min，以去掉导线基体的有机污染物，清洗之后禁止用手直接接触样品表面，避免再次污染；最后用去离子水超声清洗10-60min，以洗掉表面的有机残留，烘干待用。
在步骤S4中，等离子体辅助微弧诱导电解液包括水玻璃、钨酸钠和低表面能有机纳米乳液，其中，水玻璃与钨酸钠浓度的浓度比为(7-8):(4-5)，低表面能有机纳米乳液的体积份数为10％-20％。
优选地，等离子体辅助微弧诱导电解液包括浓度为120-180g/L的水玻璃100ml/L，1-20g/L的钨酸钠50ml/L，20-100ml/L的低表面能有机纳米乳液。
其中，低表面能有机纳米乳液包括聚乙烯或聚丙烯等含氟改性的纳米粒子乳液。采用的硅酸盐体系的等离子体辅助微弧诱导电解液可以起到调整pH值的作用，以保证陶瓷层不被腐蚀，并保持合适的电导率以使回路分压主要施加于被处理样品的作用。
步骤S5中，等离子体辅助微弧诱导反应的参数包括：电解液温度为70-90℃、脉冲电压为600-1000V、电流密度为5000-30000A/m2以及制备时间为20-40min。
也即步骤S5具体包括：以不锈钢板或不锈钢池为阴极，以预处理后的MXene增强铝合金导线基体为阳极，使用步骤S4制备的等离子体辅助微弧诱导电解液，在阴极和阳极间施加600-1000V的高脉冲电压和5000-30000A/m2的电流，并将电解液温度控制在70-90℃，持续搅拌，在等离子体作用下产生强放电，促使MXene增强铝合金导线基体表面高温融化、瞬间冷却凝固，形成坚硬的陶瓷层，同时，在微弧诱导高温辅助烧结的作用下，有机纳米粒子以流动、吸附、渗透的形式沉积在陶瓷层表面，沉积生长的时间为20-40min，从而在MXene增强铝合金导线基体表面形成超疏水复合涂层，进而制得具有复合涂层的MXene增强铝合金导线。
MXene纳米片添加到铝导线内，大幅度提高了铝合金的的导电性，在导电性高的MXene增强铝合金导线基体表面上制备复合涂层时，恒压模式下，导电性高的MXene增强铝合金导线可形成大电流，在如此高的脉冲能量下，可以增强火花放电的强度和均匀致密性，使得有机纳米粒子更容易生长、沉积和强吸附，从而提高了复合涂层的生长速率和致密性。
同时，导电性高的MXene增强铝导线基体，在加有低表面能有机纳米乳液的电解液中，更容易受到高电场的影响，在这样高温、高频放电场、高的梯度压力的局部特殊环境中，溶液中的离子和有机粒子更容易运动迁移，特别是高脉冲电压、高温度，以及由带电有机纳米粒子的活化与迁移引起的气泡周围形成严重的稳态强放电，该作用下可以促进有机无机多层复合涂层(也即MXene增强铝合金导线基体表面的超疏水复合涂层)的致密性生长。
MXene纳米片的堆叠和有序串联，能在MXene增强铝合金导线基体中形成导电和导热通道，在制备超疏水复合涂层时，高导热的MXene增强铝合金导线基体会快速将热传导到电解液中，促进有机纳米乳液形成高温粘结状态，如此高的电解液温度下，可进一步促进有机纳米粒子的均匀快速沉积聚合，交联固化。当电流流过单体溶液(含有有机纳米乳液)中的电极时，由于定向迁移作用，带负电的有机纳米颗粒由于迁移作用而移动到阳极，并且电解液中氢气和氧气释放，单体有机纳米粒子在等离子体和气泡引起的强放电作用下，电解液的离子与单体发生相互作用，从而形成化合物并沉积在陶瓷层表面，随着电解液的冷却作用，交联固化，如此过程不断沉积不断交联固化，导致在陶瓷层表面上，形成一层致密的聚合物，从而最终在MXene增强铝合金导线基体表面形成一层冶金结合的陶瓷层，在陶瓷层表面形成一种可以和其紧密、牢固结合的偶联聚合物层(也即有机纳米层)。
此外，MXene纳米片作为增强相，为铝合金导线表面在进行等离子体辅助微弧诱导一步形成微纳米有机无机复合涂层体提供了一种“虚假放电”现象，这是由于MXene相中成分在等离子体作用下与电解液中离子的发生反应以及导电、导热性增强后的铝导线在有机复合电解液形成的高温高压强脉冲高频电场。其中向“虚假放电”模式的过渡伴随着许多特征效应，如瞬态电流的增加，声发射和光发射的增加，高温和梯度压力的增加。在该现象下，可以推断出在涂层生长/电解质界面中存在具有梯度压力的特定窄区域，在该区域中由于MXene增强铝合金导线基体导电和导热性的提高，热区域会集中而且会生成大量的氧气气泡并积聚在涂层表面，导致气泡边缘的电场强度增加，消除了氧化物/有机物/电解质界面的势垒，导致有机纳米粒子定向迁移，沉积，化学交联固化，使得有机纳米层以密封的形式更加均匀致密的形成在陶瓷层的表面，最终形成有机无机多层复合涂层。
由此，本发明通过在等离子体辅助微弧诱导电解液中增加低表面能有机纳米乳液，并优化出特殊电解液成分配比和特定电参数，从而实现在MXene增强铝合金导线基体表面一步形成超疏水复合涂层，该制备方法快速高效，方便快捷、可设计空间大，可一步设计调控出表面多尺度结构，获得相应功能性(电绝缘/超疏水/防冰/耐磨/耐腐蚀)有机无机复合涂层，为实现金属表面涂层一步形成、多功能应用提供了新思路。
图2为具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的表面的SEM图谱，也即为超疏水复合涂层的表面微观形貌照片，从图中可以看出，复合涂层形成了由有机纳米粒子组成的具有微纳米粗糙结构的表面形貌，该形貌可以有效地封闭陶瓷层的多孔形貌，并具有低表面能，赋予了MXene增强铝合金导线超疏水性能。
低表面能有机纳米乳液的添加，一方面，使得含硅酸盐的基础电解液在短时间内，实现温度快速升高，促使电流密度增加，产生较大的能量，使钝化膜更容易形成，促进陶瓷层的生长，提高复合涂层生长效率，可使得陶瓷涂层表面更加粗糙，为有机纳米粒子的沉积和生长提供模板；另一方面，在高的温度场和梯度压力场的协同作用下，增强了火花放电，使复合涂层在原位生长陶瓷涂层的同时，有机纳米粒子也能均匀快速的沉积；此外，大量的低表面能有机纳米乳液，在化学、电化学和热效应的促进下，使氧气泡在复合涂层表面不断积累，导致气泡边缘的电场强度不断增加，在强烈的放电下，有机纳米粒子不断快速沉积，促使形成具有双层结构的超疏水复合涂层。
进一步地，由于本发明的MXene增强铝合金导线基体以MXene为增强相，具有高导电性，更容易形成钝化膜，提高了复合涂层的生长速度。当设置电压一定时，导电性越高的铝合金，在包含有有机纳米乳液的电解液中，更容易受到高电场的影响，溶液中的粒子和离子更容易运动，形成的电流越大，从而促进火花放电，促进复合涂层的生长和致密化。MXene纳米片还可以在铝合金中形成导电和导热通道，在制备超疏水复合涂层时，高导热的铝合金会快速将热导到等离子体辅助微弧诱导电解液中，使低表面能有机纳米乳液形成高温粘结状态，在高温下，可进一步促进纳米粒子均匀快速聚合沉积，从而整体上提高了具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的制备速度。
本发明另一实施例还提供了一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线，根据上述所述的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的制备方法制得，所述的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线包括MXene增强铝合金导线基体以及覆盖在MXene增强铝合金导线基体表面的超疏水复合涂层，超疏水复合涂层包括陶瓷层和有机纳米层，陶瓷层的两侧分别与MXene增强铝合金导线基体和有机纳米层紧密连接。
图3为具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的截面的SEM图谱，从图中可以看出，超疏水复合涂层形成了由有机纳米外层和无机陶瓷内层组成的双层结构，其中，超疏水复合涂层的整体厚度为30-100μm，陶瓷层和有机纳米层的厚度均可以通过调整电解液成分配比、微弧诱导高温辅助烧结的反应参数进行控制，在本发明实施例中，为保证MXene增强铝合金导线基体表面超疏水复合涂层的超疏水性，有机纳米层的厚度范围为20-60μm，陶瓷层的厚度为10-50μm。
图4为具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的电绝缘性对比图，图4的上部分为陶瓷涂层、复合涂层1以及复合涂层2的击穿电压-介电强度对比图，每组数据中，左边的柱形为击穿电压数据，右边的为介电强度数据。图4的下部分为陶瓷涂层、复合涂层1以及复合涂层2的电阻值-电阻率对比图，每组数据中，左边的柱形为电阻数据，右边的为电阻率数据。其中，复合涂层1和复合涂层2为均采用本发明提供的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的制备方法制备得到的复合涂层。从图中可以看出，具有有机无机复合涂层的MXene增强铝合金导线具有优异的电绝缘性，其中超疏水复合涂层的耐电压性可达1000V，介电强度可达21.32V/μm，电阻值可达213MΩ。
图5为MXene增强铝合金导线基体与超疏水复合涂层的极化曲线，从图中可以看出，超疏水复合涂层的腐蚀电流明显低于MXene增强铝合金导线基体，且腐蚀电位大于MXene增强铝合金导线基体，说明制备的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线具有良好的耐蚀性。
采用接触角测试仪对具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的表面进行疏水接触角测试，其对水的接触角大于150°，说明MXene增强铝合金导线具有超疏水性。
图6为具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的疏水自清洁对比图，其中从上到下，污染物分别为墨水、含有沙的溶液和陶瓷氧化铜粉体溶液。从图中可以看出，具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的表面可实现墨水、沙子、氧化铜等模拟污染物的无残留去除，表现出优异的自清洁性能，可有效保护MXene增强铝合金导线基体(电缆线)不被污染。
本发明提供的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线，在提高电学性能、力学性能和热学性能的前提下，利用等离子体辅助微弧诱导在MXene增强铝合金导线基体表面一步形成微纳米有机无机电绝缘/超疏水/防冰/耐磨/耐腐蚀复合涂层，相比现有的铝合金导线，其造价更低廉、制备简单以及轻量化，解决了铜导线价格昂贵，铝导线易受腐蚀、且有机防护涂层易老化、易结冰等问题，有效降低了投资生产和大规模应用的维护成本，满足高架输电线长时间应用的迫切需求。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照制造厂商所建议的条件。
实施例1
本实施例提供了一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的制备方法，具体步骤如下：
一、MAX相陶瓷(Ti3C2Al)纳米粉末在非氧气环境下烧结4h，以5℃/min的升温速率升到1400℃，保温4h，研磨，过筛，将0.5g的MXene纳米材料加入到HF溶液中，溶液浓度为40％，刻蚀，搅拌18h，清洗，并在温度为60℃下干燥24h，形成MXene纳米片；
二、将MXene纳米片与无水乙醇混合，超声分散10min，再加入铝合金粉末，超声分散30min形成混合液，将混合液置于球磨机内，在转速200r/min条件下，球磨5h，制备出粘稠状的复合粉体；
三、在温度450℃、压力1000MPa条件下，粘稠状的复合粉体挤压成型，制备得到MXene增强铝合金导线基体；
四、将MXene增强铝合金导线基体打磨抛光，用无水乙醇、去离子水分别超声清洗30min；同时，以水玻璃120g/L、钨酸钠12g/L的比例混合，也即水玻璃和钨酸钠的浓度比为7:4，搅拌均匀，再加入体积分数为11％的低表面能有机纳米乳液，超声分散30min，制得稳定的等离子体辅助微弧诱导电解液；
五、以不锈钢板为阴极，以MXene增强铝合金导线基体为阳极，用等离子体辅助微弧诱导电解液，在电解槽两端外加600V的脉冲电压，电流密度：5000A/m2，并在溶液温度为80℃及搅拌的条件下，微弧诱导高温辅助烧结反应30min，在MXene增强铝合金导线基体表面形成超疏水复合涂层，从而制得具有复合涂层的MXene增强铝合金导线。
为进一步说明本实施例制备的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的优异性，现将具有复合涂层的MXene增强铝合金导线式样(记为：增强铝合金导线)进行性能分析，并与传统铝合金导线进行对比，所得结果如下表1所示：
表1增强铝合金导线与传导铝导线性能对比分析
Figure BDA0002461314950000131
从表1可以看出，本发明制备的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线与传统铝导线性能相比，增强铝合金导线的电导率高于64.87％，抗拉强度可达245MPa，导热系数为216千卡/米·时·℃，比重轻仅为2.36。此优异的电学性能、力学性能和热学性能，有利于在超高压/大电流输电过程实现低成本、轻量化的运输、安装和运行。
实施例2
本实施例与上述实施例1的区别在于，提供了一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的制备方法，具体步骤如下：
一、MAX相陶瓷(Ti3C2Al)纳米粉末在非氧气环境下烧结4h，以3℃/min的升温速率升到1300℃，保温3h，研磨，过筛，将0.5g的MXene纳米材料加入到HF溶液中，溶液浓度为40％，刻蚀，搅拌48h，清洗，并在温度为60℃下干燥12h，形成MXene纳米片；
二、将MXene纳米片与无水乙醇混合，超声分散10min，再加入铝合金粉末，超声分散30min形成混合液，将混合液置于球磨机内，在转速1000r/min条件下，球磨1h，制备出粘稠状的复合粉体；
三、在温度400℃、压力800MPa条件下，粘稠状的复合粉体挤压成型，制备得到MXene增强铝合金导线基体；
四、将MXene增强铝合金导线基体打磨抛光，用无水乙醇、去离子水分别超声清洗30min；同时，以水玻璃180g/L、钨酸钠10g/L的比例混合，也即水玻璃和钨酸钠的浓度比为1.6:1，搅拌均匀，再加入体积分数为20％的低表面能有机纳米乳液，超声分散30min，制得稳定的等离子体辅助微弧诱导电解液；
五、以不锈钢板为阴极，以MXene增强铝合金导线基体为阳极，用等离子体辅助微弧诱导电解液，在电解槽两端外加650V的脉冲电压，电流密度：1000A/m2，并在溶液温度为80℃及搅拌的条件下，微弧诱导高温辅助烧结反应30min，在MXene增强铝合金导线基体表面形成超疏水复合涂层，从而制得具有复合涂层的MXene增强铝合金导线。
图2-5均为本实施例制备的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的测试图谱，从图中可以看出，具有复合涂层的MXene增强铝合金导线表面具有由有机纳米粒子组成的具有微纳米粗糙结构的表面形貌，且超疏水复合涂层表现出明显的双层结构，有机纳米层的厚度约为10-30μm，陶瓷层的厚度约为20-50μm。
实施例3
本实施例与上述实施例1的区别在于：
步骤一中，将0.5g的MXene纳米材料加入到HF溶液中，溶液浓度为60％，刻蚀，搅拌24h，清洗，并在温度为80℃下干燥10h；
步骤二中，在转速600r/min条件下，球磨3h，制备出粘稠状的复合粉体；
步骤三中，在温度600℃、压力1200MPa条件下，挤压成型；
步骤四中，以水玻璃150g/L、钨酸钠10g/L的比例混合，也即水玻璃和钨酸钠的浓度比为8:5，搅拌均匀，再加入体积分数为10％的低表面能有机纳米乳液，
步骤五中，在电解槽两端施加1000V的脉冲电压，电流密度：30000A/m2，并在溶液温度为90℃及搅拌的条件下，沉积生长40min；
其他步骤及参数与实施例1相同。
实施例4
本实施例与上述实施例1的区别在于：
步骤一中，将0.5g的MXene纳米材料加入到HF溶液中，溶液浓度为50％，刻蚀，搅拌24h，清洗，并在温度为40℃下干燥30h；
步骤四中，以水玻璃150g/L、钨酸钠10g/L的比例混合，也即水玻璃和钨酸钠的浓度比为8:5，搅拌均匀，再加入体积分数为15％的低表面能有机纳米乳液，
步骤五中，在电解槽两端施加800V的脉冲电压，电流密度：18000A/m2，并在溶液温度为70℃及搅拌的条件下，沉积生长20min；
其他步骤及参数与实施例1相同。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的制备方法，其特征在于，包括：
将MAX相粉体分散于氢氟酸溶液中进行刻蚀反应，得到MXene纳米片；
将所述MXene纳米片加入溶剂中超声分散，然后加入铝合金粉形成混合液，将所述混合液进行球磨，得到粘稠状复合粉体；
将所述复合粉体挤压成型，得到MXene增强铝合金导线基体；
将所述MXene增强铝合金导线基体的表面进行预处理，并配置等离子体辅助微弧诱导电解液；
将预处理后的MXene增强铝合金导线基体置于所述等离子体辅助微弧诱导电解液内，以不锈钢板或不锈钢池为阴极、所述预处理后的MXene增强铝合金导线基体为阳极，进行等离子体辅助微弧诱导反应，在所述预处理后的MXene增强铝合金导线基体表面形成超疏水复合涂层，从而制得具有复合涂层的MXene增强铝合金导线。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述MAX相粉体的制备包括：
将MAX相陶瓷材料纳米粉体在无氧环境下进行烧结，得到固溶型MAX相陶瓷体，然后将所述固溶型MAX相陶瓷体进行研磨、过筛，得到所述MAX相粉体。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述将MAX相粉体分散于氢氟酸溶液中进行刻蚀反应，包括：
将所述MAX相粉体加入到质量浓度为20-60％的氢氟酸溶液中，搅拌18-48h，然后水洗离心至滤液为中性，最后将所得粉末在40-80℃下干燥10-30h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述球磨的条件包括球磨转速为200-1000r/min和球磨时间为1-5h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述挤压成型的温度为400-600℃、压力为800-1200MPa。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述将所述MXene增强铝合金导线基体的表面进行预处理包括：将所述MXene增强铝合金导线基体的表面依次用800#和1200#砂纸抛光，然后分别用酒精、去离子水进行超声清洗。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述等离子体辅助微弧诱导电解液包括水玻璃、钨酸钠和低表面能有机纳米乳液，其中，所述水玻璃与所述钨酸钠浓度的浓度比为(7-8)：(4-5)，所述低表面能有机纳米乳液的体积分数为10％-20％。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述等离子体辅助微弧诱导反应的参数包括：电解液温度为70-90℃、脉冲电压为600-1000V、电流密度为5000-30000A/m2以及反应时间为20-40min。
9.一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线，其特征在于，根据权利要求1-8中任一项所述的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线的制备方法制得，所述具有复合涂层的MXene增强铝合金导线包括MXene增强铝合金导线基体以及覆盖在所述MXene增强铝合金导线基体表面的超疏水复合涂层，所述超疏水复合涂层包括陶瓷层和有机纳米层，所述陶瓷层的两侧分别与所述MXene增强铝合金导线基体和所述有机纳米层紧密连接。
10.根据权利要求9所述的具有复合涂层的MXene增强铝合金导线，其特征在于，所述超疏水复合涂层的厚度为30-100μm。
CN202010320809.8A 2020-04-22 2020-04-22 一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线及其制备方法 Active CN111472033B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010320809.8A CN111472033B (zh) 2020-04-22 2020-04-22 一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010320809.8A CN111472033B (zh) 2020-04-22 2020-04-22 一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111472033A CN111472033A (zh) 2020-07-31
CN111472033B true CN111472033B (zh) 2021-05-14

Family

ID=71755548

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010320809.8A Active CN111472033B (zh) 2020-04-22 2020-04-22 一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111472033B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112743092B (zh) * 2020-12-29 2022-06-14 南京理工大学 一种细化3d打印铝合金晶粒并提高其导热率的方法
CN114843700B (zh) * 2022-04-18 2023-07-07 西南交通大学 一种高度有序端基化MXene及其制备方法和应用
CN115261780B (zh) * 2022-07-25 2023-06-20 海南大学 一种用于改善金属材料表面耐磨耐蚀性及抗结冰性的处理方法
CN115889141B (zh) * 2022-07-29 2024-03-29 武汉大学 一种利用二维材料提升金属/绝缘体绝缘性能的方法
TWI847376B (zh) * 2022-11-18 2024-07-01 遠東科技大學 具有絕緣層之導線的製造方法
CN116162832A (zh) * 2023-03-03 2023-05-26 山东创新精密科技有限公司 一种高表面张力铝合金材料及其制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104928742A (zh) * 2015-06-12 2015-09-23 中国科学院金属研究所 一种max相陶瓷及其复合材料表面改性的处理方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10826113B2 (en) * 2015-04-13 2020-11-03 Global Graphene Group, Inc. Zinc ion-exchanging energy storage device

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104928742A (zh) * 2015-06-12 2015-09-23 中国科学院金属研究所 一种max相陶瓷及其复合材料表面改性的处理方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111472033A (zh) 2020-07-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111472033B (zh) 一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线及其制备方法
CN108573763B (zh) 电线电缆导体、石墨烯包覆金属粉体和导体的制备方法
Sun et al. Reduced graphene oxide nanosheet modified NiMn-LDH nanoflake arrays for high-performance supercapacitors
CN105081310A (zh) 一种制备石墨烯增强铝基复合材料的方法
CN110670107B (zh) 碳化钛纳米片/碳纳米管电磁屏蔽薄膜及其制备方法
CN105648503B (zh) 一种磁体表面高耐候高耐蚀高耐磨有机涂层的制备方法
CN110468441B (zh) 高导热性能的铜基改性氧化石墨烯复合材料及制备方法
Zhang et al. Controllable coating NiAl-layered double hydroxides on carbon nanofibers as anticorrosive microwave absorbers
CN113012945A (zh) 一种改性Ppy-MXene复合材料及制备方法与应用
Lu et al. 3D porous carbon networks with highly dispersed SiO x by molecular-scale engineering toward stable lithium metal anodes
CN116892129B (zh) 一种变频电机用耐电晕n级绝缘纸及其制备方法
Tan et al. Self-assembled, highly-lithiophilic and well-aligned biomass engineered MXene paper enables dendrite-free lithium metal anode in carbonate-based electrolyte
Feng et al. Free-standing MnO2/nitrogen-doped graphene paper hybrids as binder-free electrode for supercapacitor applications
CN112195491A (zh) 一种基于微弧氧化的SiC-Al2O3涂层的制备方法
Tang et al. Lightweight and tough multilayered composite based on poly (aryl ether nitrile)/carbon fiber cloth for electromagnetic interference shielding
CN102628214A (zh) 一种碳纤维表面电沉积ZnO层复合材料及制备方法和应用
Wang et al. Graphite Wrapped FeNi3/Co with Carbon Nanotubes Anchored on MgO@ Carbon Fiber Reinforcements via Continuous Fabrication for High-Efficiency Microwave Attenuation
CN112877561B (zh) 石墨烯-碳纳米管共同增强铜基复合材料及其制备方法
Liu et al. Shear‐Rheological‐Assisted MXene Dispersion in Epoxy Resin for Efficient Electromagnetic Absorption
Deng et al. Interface Enhancement-Induced Improvement of Dielectric Traits in Poly (Ether Sulfone)/Ti 3 C 2 MXene/KH550 Nanocomposites
CN114369844A (zh) 一种基于低温液态金属集成的嵌入型光电极及规模化制备方法
Xue et al. Fabrication and Electromagnetic Interference Shielding Properties of a Fe 3 O 4/Polythiophene/Au Nanocomposite Film Coated by Epoxy Resin
CN110957287A (zh) 一种大功率散热器及其制备方法
CN114976094B (zh) 一种碳纤维复合双极板及其制备方法和应用
CN117050610A (zh) 一种石墨烯水性涂料的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant