CN112553515A - 一种石墨烯掺杂铝合金导线的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯掺杂铝合金导线的制备方法，所述铝合金导线，由如下质量百分比的原料制成：镁0.5‑2.0%、铁0.1‑1.0%、钒0.01‑0.05%、硅0.1‑0.5%、钛0.01‑0.05%、碲0.01‑0.03%、铟0.01‑0.03%、稀土元素0.05‑0.20%、石墨烯0.5‑1.5%，余量为铝及不可避免的杂质。本发明将石墨烯再掺杂到铝合金导线材料中，还添加了钒、硅、钛、碲、铟、稀土元素等，在这些原料的共同作用下，不仅提高了铝合金的强度，还能提高铝合金的耐腐蚀性、耐热性、耐磨性和导电性。同时在制备过程中先将石墨烯进行改性处理，解决了当前石墨烯易团聚与铝合金基体结合力差的问题，还经过激光重熔处理能够提高铝合金导线的强度、耐磨性、耐腐蚀性能等，制备的铝合金导线能够符合当今节能降耗的需求，市场前景广阔。

Description

一种石墨烯掺杂铝合金导线的制备方法

技术领域

本发明属于铝合金材料技术领域，具体是一种石墨烯掺杂铝合金导线的制备方法。

背景技术

能源、安全、环保是关系到人类生存和发展的三大关键问题，铝材具有密度小、比强度和比刚度高，耐腐蚀，美观耐用，以成形，可表面处理，可回收再生，可节能储能等一系列优良性能，推广应用铝材是缓解上述三大问题的重要途径。因此铝材越来越受到人们的青睐，其应用已经普及到国民经济各部门和人们生活各方面，在很多场合已经代替了钢材，铜材，木材和塑料，成为人类社会的一种重要基础材料。随着铝合金材料的发展，以铝合金材料作为导体材料和加强材料的导线在国内外业日趋应用广泛，其代表种类为全铝合金绞线、铝合金芯铝绞线，铝合金通讯信号线、铝合金屏蔽线等。

随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，对电力的需求急剧增长，输电线路日益向大容量方向发展，这就要求增大导线的输电容量。但目前我国的输电导线主要还是传统的钢芯铝绞线，这种钢芯铝绞线虽然强度高，但电能损耗大，导电率较低，耐热性差，输电容量受到很大的限制。因此，当前需要开发新型的高强度、高导电率、耐热的铝合金线材。

石墨烯以其独特的二维结构、高强度、高导电性能和高导热性能等超强的力学和功能特性，被认为是最理想的复合材料增强相。现有石墨烯增强铝合金制备过程中由于石墨烯分散的不均匀，容易发生团聚现象；其次石墨烯添加后与铝合金基体的湿润性查，两者界面结合不理想，使得石墨烯增强效果不理想，不能满足铝合金导线的工业化生产需求，限制材料技术发展与应用。

发明内容

本发明针对现有铝合金线材存在的不足，提供一种石墨烯掺杂铝合金导线的制备方法。本发明方法制备的铝合金导线具有高强度、导电率高、耐热性、耐磨性、耐腐蚀性能优异等优点，能够符合当今节能降耗的需求，市场前景广阔。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种石墨烯掺杂铝合金导线的制备方法，所述导线材料由如下质量百分比的原料制成：镁0.5-2.0%、铁0.1-1.0%、钒0.01-0.05%、硅0.1-0.5%、钛0.01-0.05%、碲0.01-0.03%、铟0.01-0.03%、稀土元素0.05-0.20%、石墨烯0.5-1.5%，余量为铝及不可避免的杂质；

所述铝合金导线的制备方法，包括如下步骤：

（1）将铝锭熔炼为铝液，再加入石墨烯改性悬浮液混合均匀，再将铝液导入保温炉中，升温至680-750℃，保温1-3h，得石墨烯掺杂铝液；

（2）将石墨烯掺杂铝液转移至精炼炉中，按照上述配比加入镁、铁、钒、硅、钛、碲、铟、稀土元素和铝，搅拌均匀，升温至750-800℃，保温30-60min，得铝合金混合液；

（3）由精炼炉底部向精炼炉内喷入精炼剂和氮气对稀土合金混合液进行精炼，精炼后加入覆盖剂对铝合金混合液进行覆盖，静置10-30min；

（4）将精炼后的铝合金混合液注入连铸连轧机中进行浇铸和轧制，冷却，得到铝合金杆；

（5）将铝合金杆经过激光重熔处理，冷却后经过拉拔，拉成所需尺寸的导线。

优选地，所述石墨烯改性悬浮液的制备方法为：将石墨烯分散到乙醇溶液中，再加入椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂对石墨烯进行改性，超声分散30-60min，即得石墨烯改性悬浮液。

优选地，所述改性剂的加入量为石墨烯质量的1-3%，椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂的质量比为1:1-3:1-3。

优选地，所述稀土元素由如下质量百分比的原料组成：铈30-50%、铒15-30%、钇15-30%和钐5-10%。

优选地，所述连铸连轧机控制转动线速度为10-20m/min，终扎速度为5-10m/min。

优选地，所述激光重熔的工艺参数如下：在氮气的保护下，控制扫描速度为10-20mm/min，光斑直径D为1 .5-3mm，功率为500-800W。

优选地，所述拉拔控制速度在10-15m/s，变形量控制在10-30%。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果为：

1、本发明方法将石墨烯改性后再掺杂到铝合金导线材料中，还添加了钒、硅、钛、碲、铟、稀土元素等，在这些原料的共同作用下，不仅能够改善合金的结晶条件，细化了晶粒和结晶，提高了铝合金的强度，还能提高铝合金的耐腐蚀性、耐热性、耐磨性和导电性，能够符合当今节能降耗的需求，市场前景广阔。

2、本发明在铝合金的制备方法中先采用椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂对石墨烯改性后再加至铝液中，改性后的石墨烯分散性显著提高，解决当前由于石墨烯粉末易发生团聚降低材料性能的问题，同时还可以改烧石墨烯与铝合金基体的界面润湿性，提高各物料之间的界面结合力，在铝合金基体中添加分散石墨烯悬浮液能够很好提高提高铝合金线材的强度、耐热性、导电性和耐腐蚀性。

3、本发明方法还将铝合金杆先经过激光重熔处理再进行拉拔，激光重熔可以改善铝合金的金相组织，细化晶粒，提高铝合金基体与各原料之间的界面结合力提高其致密度，还能增强铝合金线材的强度及提高耐磨及耐腐蚀性能。

4、经过检测本发明方法制得的铝合金导线抗压强度达到230MPa以上，伸长率大于2.5%，导电率大于63%，洛氏硬度大于73HRB，在200℃下持续加热1h后强度保持率大于95%，制备的铝合金导线不仅具有高强度、导电率高、耐热性、耐磨性、耐腐蚀性能优异等优点，其制备方法还工艺简单、生产效率高，容易实现工业化生产。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例1

一种石墨烯掺杂铝合金导线的制备方法，所述导线材料由如下质量百分比的原料制成：镁1.3%、铁0.4%、钒0.04%、硅0.5%、钛0.02%、碲0.01%、铟0.03%、稀土元素0.10%、石墨烯1.2%，余量为铝及不可避免的杂质；所述稀土元素由如下质量百分比的原料组成：铈40%、铒25%、钇28%和钐7%。

所述铝合金导线的制备方法，包括如下步骤：

（1）将铝锭(纯度≥99%）熔炼为铝液，再加入石墨烯改性悬浮液混合均匀，再将铝液导入保温炉中，升温至730℃，保温2h，得石墨烯掺杂铝液；所述石墨烯改性悬浮液的制备方法为：将石墨烯分散到乙醇溶液中，再加入质量比为1:2:1的椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂对石墨烯进行改性，超声分散40min，即得石墨烯改性悬浮液。所述改性剂的加入量为石墨烯质量的2.5%。

（2）将石墨烯掺杂铝液转移至精炼炉中，按照上述配比加入镁、铁、钒、硅、钛、碲、铟、稀土元素和铝，搅拌均匀，升温至780℃，保温50min，得铝合金混合液；

（3）由精炼炉底部向精炼炉内喷入铝镁合金专用2号精炼剂（市售产品）和氮气，精炼剂的加入量为炉内物料重量的0.3%，在温度为780℃、压力为0.5MPa对铝合金混合液精炼30min，精炼后加入铝镁合金覆盖剂（市售产品）对铝合金混合液进行覆盖，静置15min；

（4）将精炼后的铝合金混合液注入连铸连轧机中进行浇铸和轧制，控制转动线速度为15m/min，终扎速度为8m/min，轧制完成后冷却，得到铝合金杆；

（5）将铝合金杆经过激光重熔处理，所述激光重熔的工艺参数如下：在氮气的保护下，控制扫描速度为15mm/min，光斑直径D为2.5mm，功率为500W，冷却后经过拉拔，所述拉拔控制速度在12m/s，变形量控制在15%，拉成直径为1.5mm的导线。

实施例2

一种石墨烯掺杂铝合金导线的制备方法，所述导线材料由如下质量百分比的原料制成：镁1.8%、铁0.8%、钒0.05%、硅0.3%、钛0.05%、碲0.02%、铟0.02%、稀土元素0.15%、石墨烯1.2%，余量为铝及不可避免的杂质；所述稀土元素由如下质量百分比的原料组成：铈45%、铒20%、钇25%和钐10%。

所述铝合金导线的制备方法，包括如下步骤：

（1）将铝锭(纯度≥99%）熔炼为铝液，再加入石墨烯改性悬浮液混合均匀，再将铝液导入保温炉中，升温至700℃，保温2.5h，得石墨烯掺杂铝液；所述石墨烯改性悬浮液的制备方法为：将石墨烯分散到乙醇溶液中，再加入质量比为1:3:2的椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂对石墨烯进行改性，超声分散60min，即得石墨烯改性悬浮液。所述改性剂的加入量为石墨烯质量的1.8%。

（2）将石墨烯掺杂铝液转移至精炼炉中，按照上述配比加入镁、铁、钒、硅、钛、碲、铟、稀土元素和铝，搅拌均匀，升温至800℃，保温30min，得铝合金混合液；

（3）由精炼炉底部向精炼炉内喷入铝镁合金专用2号精炼剂（市售产品）和氮气，精炼剂的加入量为炉内物料重量的0.5%，在温度为750℃、压力为0.3MPa对铝合金混合液精炼30min，精炼后加入铝镁合金覆盖剂（市售产品）对铝合金混合液进行覆盖，静置15min；

（4）将精炼后的铝合金混合液注入连铸连轧机中进行浇铸和轧制，控制转动线速度为12m/min，终扎速度为6m/min，轧制完成后冷却，得到铝合金杆；

（5）将铝合金杆经过激光重熔处理，所述激光重熔的工艺参数如下：在氮气的保护下，控制扫描速度为15mm/min，光斑直径D为2.5mm，功率为650W，冷却后经过拉拔，所述拉拔控制速度在12m/s，变形量控制在20%，拉成直径为2.0mm的导线。

实施例3

一种石墨烯掺杂铝合金导线的制备方法，所述导线材料由如下质量百分比的原料制成：镁1.5%、铁0.5%、钒0.03%、硅0.4%、钛0.03%、碲0.03%、铟0.03%、稀土元素0.20%、石墨烯1.0%，余量为铝及不可避免的杂质；所述稀土元素由如下质量百分比的原料组成：铈35%、铒30%、钇30%和钐5%。

所述铝合金导线的制备方法，包括如下步骤：

（1）将铝锭(纯度≥99%）熔炼为铝液，再加入石墨烯改性悬浮液混合均匀，再将铝液导入保温炉中，升温至750℃，保温1.5h，得石墨烯掺杂铝液；所述石墨烯改性悬浮液的制备方法为：将石墨烯分散到乙醇溶液中，再加入质量比为1:1:3的椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂对石墨烯进行改性，超声分散30min，即得石墨烯改性悬浮液。所述改性剂的加入量为石墨烯质量的2.0%。

（2）将石墨烯掺杂铝液转移至精炼炉中，按照上述配比加入镁、铁、钒、硅、钛、碲、铟、稀土元素和铝，搅拌均匀，升温至750℃，保温60min，得铝合金混合液；

（3）由精炼炉底部向精炼炉内喷入铝镁合金专用2号精炼剂（市售产品）和氮气，精炼剂的加入量为炉内物料重量的0.3%，在温度为750℃、压力为0.4MPa对铝合金混合液精炼20min，精炼后加入铝镁合金覆盖剂（市售产品）对铝合金混合液进行覆盖，静置20min；

（4）将精炼后的铝合金混合液注入连铸连轧机中进行浇铸和轧制，控制转动线速度为20m/min，终扎速度为10m/min，轧制完成后冷却，得到铝合金杆；

（5）将铝合金杆经过激光重熔处理，所述激光重熔的工艺参数如下：在氮气的保护下，控制扫描速度为20mm/min，光斑直径D为2.0mm，功率为600W，冷却后经过拉拔，所述拉拔控制速度在15m/s，变形量控制在20%，拉成直径为1.0mm的导线。

对比例1

本例与实施例1的不同之处在于：所用的石墨烯直接添加不经过超声改性处理。

对比例2

本例与实施例1的不同之处在于：铝合金杆不经过激光重熔处理，直接冷却后经过拉拔。

将本发明实施例及对比例制得的铝合金导线，按照行业常规方法检测线材的抗拉强度、伸长率、导电率、耐热性能、耐腐蚀性能、洛氏硬度，测定结果如表1所示。所述耐热性能测定是将线材在200℃下持续加热1h，冷却至室温，然后测定导线的拉伸强度，用强度保持率来判断线材的耐热性能效果。所述耐腐蚀试验为铝合金进行按ASTM34-01标准测定腐蚀等级。

表1：本发明制备的铝合金导线的性能测试结果

经过检测本发明方法制得的铝合金导线抗压强度达到230MPa以上，伸长率大于2.5%，导电率大于63%，洛氏硬度大于73HRB，在200℃下持续加热1h后强度保持率大于95%，腐蚀等级达到N级，铝合金导线的表面没有点蚀和剥蚀迹象。

以上内容是结合具体的/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施例做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种石墨烯掺杂铝合金导线的制备方法，其特征在于：所述导线材料由如下质量百分比的原料制成：镁0.5-2.0%、铁0.1-1.0%、钒0.01-0.05%、硅0.1-0.5%、钛0.01-0.05%、碲0.01-0.03%、铟0.01-0.03%、稀土元素0.05-0.20%、石墨烯0.5-1.5%，余量为铝及不可避免的杂质；

所述铝合金导线的制备方法，包括如下步骤：

（1）将铝锭熔炼为铝液，再加入石墨烯改性悬浮液混合均匀，再将铝液导入保温炉中，升温至680-750℃，保温1-3h，得石墨烯掺杂铝液；

（2）将石墨烯掺杂铝液转移至精炼炉中，按照上述配比加入镁、铁、钒、硅、钛、碲、铟、稀土元素和铝，搅拌均匀，升温至750-800℃，保温30-60min，得铝合金混合液；

（3）由精炼炉底部向精炼炉内喷入精炼剂和氮气对稀土合金混合液进行精炼，精炼后加入覆盖剂对铝合金混合液进行覆盖，静置10-30min；

（4）将精炼后的铝合金混合液注入连铸连轧机中进行浇铸和轧制，冷却，得到铝合金杆；

（5）将铝合金杆经过激光重熔处理，冷却后经过拉拔，拉成所需尺寸的导线。

2.根据权利1所述石墨烯掺杂铝合金导线的制备方法，其特征在于：所述石墨烯改性悬浮液的制备方法为：将石墨烯分散到乙醇溶液中，再加入椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂对石墨烯进行改性，超声分散30-60min，即得石墨烯改性悬浮液。

3.根据权利要求2所述石墨烯掺杂铝合金导线的制备方法，其特征在于：所述改性剂的加入量为石墨烯质量的1-3%，椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂的质量比为1:1-3:1-3。

4.根据权利要求1所述石墨烯掺杂铝合金导线的制备方法，其特征在于：所述稀土元素由如下质量百分比的原料组成：铈30-50%、铒15-30%、钇15-30%和钐5-10%。

5.根据权利要求1所述石墨烯掺杂铝合金导线的制备方法，其特征在于：所述连铸连轧机控制转动线速度为10-20m/min，终扎速度为5-10m/min。

6.根据权利要求1所述石墨烯掺杂铝合金导线的制备方法，其特征在于：所述激光重熔的工艺参数如下：在氮气的保护下，控制扫描速度为10-20mm/min，光斑直径D为1.5-3mm，功率为500-800W。

7.根据权利要求1所述石墨烯掺杂铝合金导线的制备方法，其特征在于：所述拉拔控制速度在10-15m/s，变形量控制在10-30%。