CN111850649B - 一种铜复合碳纤维材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铜复合碳纤维材料及其制备方法和应用，以质量百分比计，铜复合碳纤维材料由以下组分组成：碳纤维50‑75％，铜25‑50％，余量为不可避免的杂质。该铜复合碳纤维材料通过限定碳纤维和铜的配比，可有效提高铜在碳纤维中的分散均匀性；提高铜复合碳纤维材料的导电均匀性、导电率、柔韧性、强度及可靠性。在用作高压接地线材料时，对比相同条件下，接地线总质量为相同载流条件下铜材料接地线的1/4，高压接地线总体质量大约为传统高压接地线的1/3‑1/2；此外，本发明提供的通复合碳纤维材料还可缠绕放置且不会折断或被腐蚀，配合可拆卸绝缘操作杆，方便携带和检修工作使用。
Description
技术领域
本发明涉及金属复合材料的制备技术领域，具体涉及一种铜复合碳纤维材料及其制备方法和应用。
背景技术
高压接地线主要应用于电线路和变电施工过程中，能避免工人临近带电体产生静电感应或误合闸操作发生的触电危险，起到保证人身和财产安全的作用。
目前，高压接地线主要由绝缘操作杆，导线夹，接地线和接地夹等部件组成。其中，绝缘操作杆主要采用高绝缘性能以及高机械强度的环氧树脂材料以及玻璃纤维制成，同时在操作杆的操作手柄位置加装高绝缘强度的橡胶护套供人员操作时握持。导线夹，也称接线夹，接线鼻，汇流夹；通常由镀锌金属铜制成，其作用是保证高压接地线与导线或导体之间良好接触。接地线，通常采用多股优质软铜线绞合而成，并外覆柔软、耐高温的透明绝缘护层，可以防止使用中对接地铜线的磨损，确保作业人员在操作中的安全。接地夹，其材料通常与导线夹相同，接地夹与导线夹分别连接在接地线的两端。在使用时，接地夹需要首先与地电位体良好接触。
当前电网设备运行电压已上升至1100kV，在特高压情况下，由于电压等级升高带来电气绝缘爬电距离增加，其直接后果为接地线的长度极大增加，由于铜导线的密度大(8.9g/cm3)，一根10kV设备检修使用的接地线的长度已达到5米，对于500kV设备，根据特高压设备的带电位置情况，其接地线长度可能达到30米长。按截面直径1厘米计算，接地线重量几乎达到21公斤重，高压接地棒的总重量则几乎超过35公斤。对于接地操作员工的体力带来极大要求。
碳纤维(carbon fibre)是含指碳量在90％以上的高强度、高模量纤维，具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等。但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各项异性、柔软；可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。它是以化纤和石油产品经特殊工艺制成的纤维。碳纤维外柔内刚，质量比金属铝轻，它的密度不到钢的1/4，抗拉强度是钢的7至9倍；在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。因此，碳纤维不仅具有碳材料的固有本证特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工型，是良好的新一代增强材料。
虽然采用碳纤维复合铜材料作为接地线等材料可以达到减重的目的。但是现有的碳纤维复合铜材料由于铜没有有效地渗透到碳纤维织物内部，而且碳纤维本身存在很多纵横搭接的点，这些局部区域的存在也会导致其导电均匀性不佳，甚至出现局部存在可靠性及导电性差等问题。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的碳纤维复合铜材料存在导电性及可靠性差的缺陷，从而提供一种铜复合碳纤维材料及其制备方法和应用。
为此，本发明提供如下技术方案：
一种铜复合碳纤维材料，以质量百分比计，由以下组分组成：碳纤维50-75％，铜25-50％，余量为不可避免的杂质。
本发明还提供了一种铜复合碳纤维材料的制备方法，包括如下步骤：
前处理：包括将碳纤维编织布依次用蒸馏水、有机溶剂和碱性水溶液清洗的步骤；
电镀：将前处理之后的碳纤维编织布作为阴极，铜作为阳极；并将阴极和阳极均浸没在电解液中，然后在电镀回路中通直流电进行电镀，得金属化碳纤维；
后处理：将金属化碳纤维依次进行水洗，干燥即得铜复合碳纤维材料；
其中，电解液中包括如下组分：CuSO4·H2O 70-100g/L；乙二胺100g/L；分散剂0.1-2g/L；(NH4)2SO4 45-60g/L和Na2SO4 20-30g/L；
所述分散剂为健那绿或JU-4碱铜中间体。
所述碳纤维编织布为T300、T600或T800中的任一种。
进一步地，后处理步骤中在干燥之前还包括打磨的步骤，使得样品表面平整，使用方便。
进一步地，电镀时间为1-2h。
进一步地，直流电的电流密度为0.3-0.5A/dm2。
进一步地，电镀步骤中，电解液的温度为40-60℃。
进一步地，前处理步骤中，先用蒸馏水清洗碳纤维编织布5-10min；
蒸馏水清洗后的碳纤维编织布浸没在有机溶剂中室温超声15-30min；超声频率为20000～30000Hz；
有机溶剂清洗后的碳纤维编织布浸没在碱性水溶液室温超声15-30min；超声频率为20000～30000Hz。
进一步地，用高压蒸馏水清洗碳纤维编织布，高压蒸馏水的压力为5-8MPa，流量为8-10m3/h。
进一步地，所述有机溶剂为乙醇、丙酮或乙醚。所述乙醇为体积分数为65-75％的乙醇。
进一步地，所述碱性水溶液为15-40wt％氢氧化钠水溶液或氨水。
本发明还提供了上述的铜复合碳纤维材料或上述的铜复合碳纤维材料的制备方法制得的碳纤维复合材料在高压接地线中的应用。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的铜复合碳纤维材料，以质量百分比计，由以下组分组成：碳纤维50-75％，铜25-50％，余量为不可避免的杂质。该铜复合碳纤维材料，通过限定碳纤维和铜的配比，可有效提高铜在碳纤维中的分散均匀性；提高铜复合碳纤维材料的导电均匀性、导电率、柔韧性、强度及可靠性。在用作高压接地线材料时，对比相同条件下，接地线总质量为相同载流条件下铜材料接地线的1/4，高压接地线总体质量大约为传统高压接地线的1/3-1/2；此外，本发明提供的通复合碳纤维材料还可缠绕放置且不会折断或被腐蚀，配合可拆卸绝缘操作杆，方便携带和检修工作使用。
2.本发明提供的铜复合碳纤维材料的制备方法，包括前处理、电镀和后处理步骤，其中，电镀步骤中采用的电解水溶液中包括如下组分：CuSO4·H2O70-100g/L；乙二胺100g/L；分散剂0.1-2g/L；(NH4)2SO4 45-60g/L和Na2SO420-30g/L；所述分散剂为健那绿或JU-4碱铜中间体。通过对碳纤维编织布进行前处理，可有效去除碳纤维编织布上的杂质、油脂及胶体等，便于镀层，同时防止镀层过程中出现铜的局部沉积；通过采用特定配比的电解液组分，并结合直流电，可显著提高铜在碳纤维编织布内部的均匀性及表面的均一性。该方法制得的铜复合碳纤维材料具有类似三明治的结构：以碳纤维作为夹心层，周围包裹铜；该铜复合碳纤维材料导电均匀，同时具有高的导电率、柔韧性、强度及可靠性。在用作高压接地线材料时，对比相同条件下，接地线总质量为相同载流条件下铜材料接地线的1/4，高压接地线总体质量大约为传统高压接地线的1/3-1/2；此外，还可缠绕放置且不会折断或被腐蚀，配合可拆卸绝缘操作杆，方便携带和检修工作使用。
3.本发明提供的铜复合碳纤维材料的制备方法，通过限定电镀时间及直流电的电流密度可提高制得的铜复合碳纤维材料的综合性能。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供一种铜复合碳纤维材料，其制备方法如下：
前处理：将T300碳纤维编织布用压力为7MPa，流量为10m3/h的蒸馏水清洗10min后；浸没在体积分数为65％的乙醇中室温超声15min，超声频率为25000Hz；然后取出T300碳纤维编织布并浸没在15wt％氢氧化钠水溶液中室温超声30min，超声频率为30000Hz。
电镀：将前处理后的碳纤维编织布作为阴极，铜作为阳极；然后将阴极浸没在50℃的电解水溶液中，在电镀回路中通0.3A/dm2的直流电进行电镀2h，得金属化碳纤维；
电解水溶液中包括如下组分：CuSO4·H2O 100g/L；乙二胺100g/L；健那绿1.2g/L；(NH4)2SO4 50g/L和Na2SO4 28g/L。
后处理：将金属化碳纤维用压力为5MPa，流量为10m3/h的蒸馏水清洗10min后，依次用800号、1000号、1200号和2000号的砂纸分别打磨5min；然后浸没在体积分数为75％的乙醇中室温超声20min.，超声频率为25000Hz；然后取出干燥，即得铜复合碳纤维材料。
经元素分析，以质量百分比计，上述铜复合碳纤维材料由以下组分组成：碳纤维50％，铜49.9％，余量为不可避免的杂质。
实施例2
本实施例提供一种铜复合碳纤维材料，其制备方法如下：
前处理：将T600碳纤维编织布用压力为8MPa，流量为8m3/h的蒸馏水清洗7min后；浸没在乙醚中室温超声20min，超声频率为20000Hz；然后取出T600碳纤维编织布并浸没在40wt％氢氧化钠水溶液中室温超声25min，超声频率为25000Hz。
电镀：将前处理后的碳纤维编织布作为阴极，铜作为阳极；然后将阴极浸没在40℃的电解水溶液中，在电镀回路中通0.4A/dm2的直流电进行电镀1.5h，得金属化碳纤维；
电解水溶液中包括如下组分：CuSO4·H2O 70g/L；乙二胺100g/L；JU-4碱铜中间体0.6g/L；(NH4)2SO4 45g/L；和Na2SO4 25g/L。
后处理：将金属化碳纤维用压力为5MPa，流量为9m3/h的蒸馏水清洗5min后，依次用800号、1000号、1200号和2000号的砂纸分别打磨10min；然后浸没在乙醚中室温超声25min，超声频率为30000Hz；然后取出干燥，即得铜复合碳纤维材料。
经元素分析，以质量百分比计，上述铜复合碳纤维材料由以下组分组成：碳纤维74％，铜25％，余量为不可避免的杂质。
实施例3
本实施例提供一种铜复合碳纤维材料，其制备方法如下：
前处理：将T800碳纤维编织布用压力为5MPa，流量为9m3/h的蒸馏水清洗5min后；浸没在体积分数为70％的乙醇中室温超声30min,，超声频率为30000Hz；然后取出T800碳纤维编织布并浸没在30wt％氢氧化钠水溶液中室温超声15min，超声频率为20000Hz。
电镀：将前处理后的碳纤维编织布作为阴极，铜作为阳极；然后将阴极浸没在60℃的电解水溶液中，在电镀回路中通0.5A/dm2的直流电进行电镀1h，得金属化碳纤维；
电解水溶液中包括如下组分：CuSO4·H2O 80g/L；乙二胺100g/L；健那绿2g/L；(NH4)2SO4 60g/L和Na2SO4 20g/L。
后处理：将金属化碳纤维用压力为7MPa，流量为9m3/h的蒸馏水清洗7min后，依次用800号、1000号、1200号和2000号的砂纸分别打磨8min；然后浸没在体积分数为70％的乙醇中室温超声15min，超声频率为20000Hz；然后取出干燥，即得铜复合碳纤维材料。
经元素分析，以质量百分比计，上述铜复合碳纤维材料由以下组分组成：碳纤维60％，铜35％，余量不可避免的杂质。
实施例4
本实施例提供一种铜复合碳纤维材料，其制备方法如下：
前处理：将T300碳纤维编织布用用压力为5-8MPa，流量为8-10m3/h的蒸馏水清洗8min后；浸没在丙酮中室温超声25min；然后取出T300碳纤维编织布并浸没在25wt％氢氧化钠水溶液中室温超声20min。
电镀：将前处理后的碳纤维编织布作为阴极，铜作为阳极；然后将阴极浸没在45℃的电解水溶液中，在电镀回路中通0.3A/dm2的直流电进行电镀2h，得金属化碳纤维；
电解水溶液中包括如下组分：CuSO4·H2O 90g/L；乙二胺100g/L；(NH4)2SO455g/L；JU-4碱铜中间体0.1g/L和Na2SO4 30g/L。
后处理：将金属化碳纤维用用压力为8MPa，流量为8m3/h的蒸馏水清洗8min后，依次用800号、1000号、1200号和2000号的砂纸分别打磨7min；然后浸没在丙酮中室温超声30min；然后取出干燥，即得铜复合碳纤维材料。
经元素分析，以质量百分比计，上述铜复合碳纤维材料由以下组分组成：碳纤维55％，铜43％，余量为不可避免的杂质。
对比例1
本对比例提供一种铜复合碳纤维材料，其制备方法如下：
前处理：将T300碳纤维编织布用压力为7MPa，流量为10m3/h的蒸馏水清洗10min后；浸没在体积分数为65％的乙醇中室温超声15min，超声频率为25000Hz；然后取出T300碳纤维编织布并浸没在15wt％氢氧化钠水溶液中室温超声30min，超声频率为30000Hz。
电镀：将前处理后的碳纤维编织布作为阴极，铜作为阳极；然后将阴极浸没在50℃的电解水溶液中，在电镀回路中通0.3A/dm2的直流电进行电镀2h，得金属化碳纤维；
电解水溶液中包括如下组分：CuSO4·H2O 120g/L；乙二胺100g/L；健那绿1.2g/L；(NH4)2SO4 40g/L和Na2SO4 35g/L。
后处理：将金属化碳纤维用用压力为5MPa，流量为10m3/h的蒸馏水清洗10min后，依次用800号、1000号、1200号和2000号的砂纸分别打磨5min；然后浸没在体积分数为75％的乙醇中室温超声20min，超声频率为25000Hz；然后取出干燥，即得铜复合碳纤维材料。
经元素分析，以质量百分比计，上述铜复合碳纤维材料由以下组分组成：碳纤维47％，铜52％，余量为不可避免的杂质。
对比例2
本对比例提供一种铜复合碳纤维材料，其制备方法如下：
前处理：将T300碳纤维编织布用压力为7MPa，流量为10m3/h的蒸馏水清洗10min后；浸没在体积分数为65％的乙醇中室温超声15min，超声频率为25000Hz；然后取出T300碳纤维编织布并浸没在15wt％氢氧化钠水溶液中室温超声30min，超声频率为30000Hz。
电镀：将前处理后的碳纤维编织布作为阴极，铜作为阳极；然后将阴极浸没在50℃的电解水溶液中，在电镀回路中通0.3A/dm2的直流电进行电镀2h，得金属化碳纤维；
电解水溶液中包括如下组分：CuSO4·H2O 60g/L；乙二胺110g/L；健那绿1.2g/L；(NH4)2SO4 65g/L和Na2SO4 15g/L。
后处理：将金属化碳纤维用用压力为5MPa，流量为10m3/h的蒸馏水清洗10min后，依次用800号、1000号、1200号和2000号的砂纸分别打磨5min；然后浸没在体积分数为75％的乙醇中室温超声20min，超声频率为25000Hz；然后取出干燥，即得铜复合碳纤维材料。
经元素分析，以质量百分比计，上述铜复合碳纤维材料由以下组分组成：碳纤维80％，铜18％，余量为不可避免的杂质。
实验例
将各实施例和对比例制得的铜复合碳纤维材料分别进行导电性能的测试，具体的测试结果如下表所示。导电均匀性是在被测的铜复合碳纤维材料上随机取2点、中间区域随机取1点、边缘区域随机取2点，然后分别测试其导电率并计算平均值，导电率的测试方法按照YS-T478-2005(铜及铜合金导电率涡流检测方法)进行测试。
表1测试结果
由上表中的数据可知，本发明提供的铜复合碳纤维材料，导电性均匀且具有高的导电率和可靠性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种铜复合碳纤维材料，其特征在于，以质量百分比计，由以下组分组成：碳纤维50-75％，铜25-50％，余量为不可避免的杂质；
所述铜复合碳纤维材料的制备方法，包括如下步骤：
前处理：包括将碳纤维编织布依次用蒸馏水、有机溶剂和碱性水溶液清洗的步骤；
电镀：将前处理之后的碳纤维编织布作为阴极，铜作为阳极；并将阳极和阴极均浸没在电解液中，然后在电镀回路中通直流电进行电镀，得金属化碳纤维；
后处理：将金属化碳纤维进行水洗，干燥，即得铜复合碳纤维材料；
其中，电解液中包括如下组分：CuSO4·H2O 70-100g/L；乙二胺100g/L；分散剂0.1-2g/L；(NH4)2SO4 45-60g/L和Na2SO4 20-30g/L；
所述分散剂为健那绿或JU-4碱铜中间体。
2.根据权利要求1所述的铜复合碳纤维材料，其特征在于，电镀时间为1-2h。
3.根据权利要求1所述的铜复合碳纤维材料，其特征在于，直流电的电流密度为0.3-0.5A/dm2。
4.根据权利要求2-3任一项所述的铜复合碳纤维材料，其特征在于，电镀步骤中，电解液的温度为40-60℃。
5.根据权利要求4所述的铜复合碳纤维材料，其特征在于，前处理步骤中，先用蒸馏水清洗碳纤维编织布5-10min；
蒸馏水清洗后的碳纤维编织布浸没在有机溶剂中室温超声15-30min，超声频率为20000-30000Hz；
有机溶剂清洗后的碳纤维编织布浸没在碱性水溶液室温超声15-30min；超声频率为20000-30000Hz。
6.根据权利要求5所述的铜复合碳纤维材料，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇、丙酮或乙醚。
7.根据权利要求5或6所述的铜复合碳纤维材料，其特征在于，所述碱性水溶液为15-40wt％氢氧化钠水溶液或氨水。
8.权利要求1-7任一项所述的铜复合碳纤维材料在高压接地线中的应用。
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