CN113012859A - 一种卷绕法制备金属/碳复合导线的方法 - Google Patents

一种卷绕法制备金属/碳复合导线的方法 Download PDF

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Abstract

一种卷绕法制备金属/碳复合导线的方法，首先制备由金属箔、碳膜及金属丝形成的卷绕组合体；其次将组合体碾压结实，装入与之直径匹配的金属管中，添加堵头后对两端进行焊接密封；最后经过热处理、拉拔等工艺制得新型金属/碳复合导线。本发明通过直接拉拔由卷绕法金属箔/碳膜形成的复合棒材，快速实现轻量化复合导线的制备；所获得的新型复合导线，在电传输及航空航天领域具有广泛的应用前景。

Description

一种卷绕法制备金属/碳复合导线的方法
技术领域
本发明涉及一种金属/碳复合导线的制备方法。
背景技术
金属及其合金是目前应用最为广泛的电工材料。随着社会和科技的发展，电力电子逐渐向轻量化发展，尤其是在卫星探测、航空航天等领域，对导线的重量提出更高的要求。碳材料具有质量轻、密度小的优点。而新型的碳材料中石墨烯/碳纳米管等具有许多非常优异的性能，是非常好的增强相。因此，将金属与碳复合，开发出质轻金属/碳复合导线，对实现设备及器件的轻量化具有重大意义。
金属/碳复合导线的制备通常以金属为主体，碳为增强相，利用粉末冶金、热压烧结、液相渗透等制备工艺成型后，再经过锻造、轧制、拉拔等加工工艺形成丝材。但是这种制备工艺复杂、成本高，并且复合材料中碳的含量少、分布不均匀。另一类金属/碳复合导线的制备以碳纤维为主体，通过电沉积的方式形成复合导线，这类导线虽然能够满足质轻的要求，但是由于金属与碳的界面问题，使得镀层易脱落，严重影响复合导线的实际应用。因此，开发新的研究思路和制备工艺是当前十分迫切的任务。受超导线制备工艺的启发，以金属箔和碳膜为基础开发新型金属/碳复合导线的制备工艺技术，是获得轻量化复合导线的关键。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提一种卷绕法制备金属/碳复合导线的方法。本发明可以简化金属/碳复合导线的制备流程，增大碳的有效添加量、降低复合导线的密度，形成具有螺旋结构的新型金属/碳复合导线。
本发明卷绕法制备金属/碳复合导线的方法包括以下步骤：
1、制备由金属箔、碳和金属丝形成的卷绕组合体；
2、将卷绕组合体装入与其直径相匹配的金属管中，并对金属管的两端密封，得到金属/碳复合棒；
3、对金属/碳复合棒进行高温处理，得到金属/碳复合棒材；
4、对所述的金属/碳复合棒材进行多次拉拔，制得成品金属/碳复合导线。
进一步地，所述步骤1具体如下：
1)将金属箔的一端与金属丝焊接固定；
2)将碳膜平铺在一端与金属丝固定的金属箔上；
3)转动与金属箔连接的金属丝，沿金属丝转动的方向，将铺有碳膜的金属箔卷绕在金属丝上，然后利用压实模具挤压碳膜、金属箔和金属丝，使三者紧密贴合，制成卷绕组合体。
进一步地，所述步骤1中，金属箔为纯金属箔或合金箔；碳膜为碳纳米管膜或碳纤维膜或氧化石墨烯膜或石墨烯膜或石墨纸。
进一步地，所述步骤1中，金属箔和碳膜的宽度均为40-250mm，所述的卷绕组合体的直径为4-50mm。
进一步地，所述步骤1中，金属丝的直径为0.5-5mm，长度为60-300mm。
进一步地，所述步骤2中，金属管的内径为4-50mm，壁厚为0.2-5mm。
进一步地，所述步骤3的高温热处理过程处于惰性气体和氢气气氛下，处理温度为低于金属箔熔点温度～100℃，保温时间为10-60min，即制得金属/碳复合棒材，经过高温热处理之后，形成的复合棒材变软，可加工性增强。
进一步地，所述步骤4中，采用拉拔或辊轧的方法将可加工性增强的复合棒材加工成线材，拉拔或辊轧的工艺道次根据线材的直径决定。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优点：
通过采用金属箔、碳膜为原料，利用卷绕拉拔技术，可以获得金属与碳膜螺旋卷绕的结构。由于可满足大量添加碳元素，因此能够实现复合导线的轻量化。并且本发明方法简单，有利于大规模推广应用，具有巨大的商业价值。利用本发明方法制备的新型金属/碳复合导线，可以满足未来电传输以及航空航天等领域对质轻导线的使用要求，为我国自主建立空天电网奠定电工导线基础。
附图说明
图1本发明实施例金属/碳膜制备工艺流程；
图2a本发明实施例制备的金属/碳复合导线；图2b本发明实施例金属/碳复合导线横截面图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明卷绕法制备金属/碳复合导线的方法包括以下步骤：
1、制备由金属箔、碳及金属丝形成的卷绕组合体；
2、将卷绕组合体装入与其直径相匹配的金属管中，并对金属管的两端密封，得到金属/碳复合棒；
3、对金属/碳复合棒进行高温处理，得到可加工性增强的金属/碳复合棒材；
4、对所述可加工性增强的金属/碳复合棒材进行多次拉拔，制的成品金属/碳复合导线。进一步地，所述步骤1)，具体包括以下步骤：
1)将金属箔的一端与金属丝焊接固定；
2)将碳膜平铺在步骤1)一端与金属丝固定的金属箔上；
3)转动与金属箔连接的金属丝，沿金属丝转动的方向，将铺有碳膜的金属箔卷绕在金属丝上，然后利用压实模具挤压碳膜、金属箔和金属丝，使三者紧密贴合，制成卷绕组合体。
进一步地，所述步骤1)中，金属箔为纯金属箔或合金箔；碳膜为碳纳米管膜或碳纤维膜或氧化石墨烯膜或石墨烯膜或石墨纸。
进一步地，所述步骤1中，金属箔、碳膜的宽度均为40-250mm，所述的卷绕组合体的直径为4-50mm。
进一步地，所述步骤1中，金属丝的直径为0.5-5mm，长度为60-300mm。
进一步地，所述步骤2中，金属管的内径为4-50mm，壁厚为0.2-5mm。
进一步地，所述步骤3热处理过程一直保持在惰性气体和氢气气氛下，处理温度为低于金属箔熔点～100℃，保温时间为10-60min，即制得可加工性增强的金属/碳复合棒材。
进一步地，所述步骤4中，采用拉拔或辊轧的方法将可加工性增强的复合棒材加工成线材，拉拔或辊轧的工艺道次根据线材的直径决定。
实施例1
步骤一、将宽度为40-250mm的金属箔的一端与直径为0.5-5mm长度为60-300mm的金属丝焊接；将宽度为40-250mm的碳膜平铺在已与金属丝焊接的金属箔上面，转动与金属箔连接的金属丝，沿金属丝转动的方向将铺有碳膜的金属箔卷绕在金属丝上，利用压实模具压实金属箔、碳膜和金属丝，使三者紧密贴合，即完成卷绕组合体的制备；
步骤二、将步骤一制得的卷绕组合体装入清洗干净的直径预期匹配的金属管中，封装金属管两端；
步骤三、将步骤二封装后的金属/碳复合棒材进行高温处理，处理过程一直处于惰性气体和氢气气氛下，处理温度为低于熔点～100℃，保温时间为10-60min，即制得金属/碳复合棒材；
步骤四、将步骤三得到的金属/碳复合棒材采用拉拔或者辊轧的方法将其加工成线材。
主要的工艺流程如图1所示。
其中涉及的材料为：
Figure BDA0002947344000000041
实施例2
步骤一、选取直径为0.5mm，长度为150mm的铜丝，将宽度为120mm、厚度为10μm的铜箔的一端与铜丝焊接；将厚度为100μm、宽度为120mm的石墨烯膜平铺在已与铜丝焊接的铜箔上面，转动铜丝，沿铜丝转动的方向将铺有石墨烯膜的铜箔卷绕在铜丝上，利用压实模具挤压石墨烯膜、铜箔和铜丝，使三者紧密贴合，即完成卷绕组合体的制备，卷绕组合体的直径为4mm；
步骤二、将步骤一制得的卷绕组合体装入清洗干净的内径为4mm，壁厚为0.2mm的无氧铜管中，并将无氧铜管两端封装；
步骤三、将步骤二封装后的铜/石墨烯复合棒材进行高温处理，处理过程一直保持在惰性气体和氢气气氛下，处理温度为1000℃，保温时间为20min，即制的高塑性铜/石墨烯复合棒材；
步骤四、将步骤三得到的铜/石墨烯复合棒材采用辊轧的方法制备成复合导线。
铜/石墨烯复合导线相比于纯铜线减重50％。
使用Keithley电源电压表经伏安法测量，复合导线电导率为70％IACS。
实施例3
步骤一、选取直径为5mm，长度为300mm的铜丝，将宽度为250mm、厚度为100μm的铝箔的一端与铝丝焊接；将厚度为3μm、宽度为250mm的碳纳米管膜平铺在已与铜丝焊接的铝箔上面，转动铜丝，沿铜丝的方向将铺有碳纳米管膜的铝箔卷绕在铜丝上，利用压实模具挤压碳纳米管膜、铝箔和铜丝，使三者紧密贴合，即完成卷绕组合体的制备，卷绕组合体的直径为8mm；
步骤二、将步骤一完成的卷绕组合体装入清洗干净的内径为8mm，壁厚为0.5mm的无氧铝管中，并将无氧铝管两端封装；
步骤三、将步骤二封装后的铝/碳纳米管/铜复合棒材进行高温处理，处理过程一直保持在惰性气体和氢气气氛下，处理温度为550℃，保温时间为10min，即制得可加工性增强的铝/碳纳米管/铜复合棒材；
步骤四、将步骤三得到的可加工性增强的铝/碳纳米管复合棒材进行多道次拉拔加工铝/碳纳米管/铜复合导线。
实施例4
步骤一、选取直径为1mm，长度为300mm的银丝，将宽度为250mm、厚度为100μm的铜铝合金箔的一端与银丝焊接；将厚度为50μm、宽度为250mm的氧化石墨烯膜平铺在已焊接的铜铝合金箔上面，沿着转动银丝，沿着银丝转动的方将铺有氧化石墨烯膜的铜铝合金箔卷绕在银丝上，利用压实模具挤压氧化石墨烯膜、铜铝合金箔和银丝，使三者紧密贴合，即完成卷绕组合体的制备，卷绕组合体的直径为10mm；
步骤二、将步骤一卷绕完成的卷绕组合体装入清洗干净的内径为10mm，壁厚为0.38mm的银管中，并对银管两端封装；
步骤三、将步骤二中封装后的铜铝/氧化石墨烯/银复合棒材进行高温处理，处理过程一直保持在惰性气体和氢气气氛下，处理温度为1000℃，保温时间为30min，即制的铜铝/氧化石墨烯/银复合棒材；
步骤四、将步骤三得到的铜铝/氧化石墨烯/银复合棒材进行多道次拉拔加工铜铝/石墨烯/银复合导线。
实施例5
步骤一、选取直径为0.5mm，长度为170mm的铜丝，将宽度为150mm、厚度为50μm的铜箔的一端与铜丝焊接；将厚度为3μm、宽度为150mm的碳纳米管膜平铺在已与铜丝焊接的铜箔上面，转动铜丝，沿着铜丝转动的方向将将铺有碳纳米管膜的铜箔卷绕在铜丝上，利用压实模具挤压碳纳米管膜、铜箔和铜丝，使三者紧密贴合，即完成卷绕组合体的制备，卷绕组合体的直径为15mm；
步骤二、将步骤一卷绕完成的卷绕组合体装入清洗干净的内径为15mm，壁厚为0.5mm的无氧铜管中，并将无氧铜管封装；
步骤三、将步骤二封装后的铜/碳纳米管复合棒材进行高温处理，处理过程一直保持在惰性气体和氢气气氛下，处理温度为1000℃，保温时间为60min，即制得铜/碳纳米管复合棒材；
步骤四、将步骤三得到的铜/碳纳米管复合棒材进行多道次拉拔加工铜/碳纳米管复合导线，如图2a和图2b所示。
铜/碳纳米管复合导线相比于纯铜线减重4％。
使用Keithley电源电压表经伏安法测量，复合导线电导率为99.5％IACS。
实施例6
本发明卷绕法制备金属/碳复合导线的方法包括以下步骤：
步骤一、选取直径为2mm，长度为80mm的钨丝，将宽度为60mm、厚度为200μm的三元合金箔-钛铝铌箔的一端与钨丝焊接；将厚度为25μm、宽度为80mm的碳纳米管膜平铺在已焊接的钛铝铌箔上面，转动钨丝，沿着钨丝转动的方向将铺有碳纳米管膜的钛铝铌箔卷绕在钨丝上，利用压实模具挤压碳纳米管、钛铝铌箔和钨丝，使三者紧密贴合，即完成卷绕组合体的制备，卷绕组合体的直径为4mm；
步骤二、将步骤一完成的卷绕组合体装入清洗干净的内径为4mm，壁厚为1mm的铝管中，并将铝管两端封装；
步骤三、将步骤二封装后的钛铝铌/碳纳米管/钨/铝复合棒材进行高温处理，处理过程一直保持在惰性气体和氢气气氛下，处理温度为550℃，保温时间为50min，即制得钛铝铌/碳纳米管/钨/铝复合棒材；
步骤四、将步骤三得到的钛铝铌/碳纳米管/钨/铝复合棒材进行辊轧和多道次拉拔加工，即制得成品钛铝铌/碳纳米管/钨/铝复合导线。
实施例7
步骤一、选取直径为3mm，长度为200mm的铜丝，将宽度为40mm、厚度为5mm的铜箔的一端与铜丝焊接；将厚度为100μm、宽度为40mm的氧化石墨烯膜平铺在已与铜丝焊接的铜箔上面，转动铜丝，沿着铜丝转动的方向将铺有氧化石墨烯膜的铜箔卷绕在铜丝上，利用压实模具挤压氧化石墨烯膜、铜箔和铜丝，使三者紧密贴合，即完成卷绕组合体的制备，卷绕组合体的直径为50mm；
步骤二、将步骤一卷绕完成的卷绕组合体装入清洗干净的内径为50mm，壁厚为5mm的无氧铜管中，并将无氧铜管两端封装；
步骤三、将步骤二封装后的铜/氧化石墨烯复合棒材进行高温处理，处理过程一直保持在惰性气体和氢气气氛下，处理温度为1000℃，保温时间为60min，即制得铜/还原的氧化石墨烯复合棒材；
步骤四、将步骤三得到的铜/还原的氧化石墨烯复合棒材进行辊轧和多道次拉拔加工，即可得到成品铜/碳纳米管复合导线。
实施例8
步骤一、选取直径为1mm，长度为200mm的铂丝，将宽度为180mm、厚度为1mm的钯铜箔的一端与铜丝焊接；将厚度为100μm、宽度为180mm的石墨烯膜平铺在已与铂丝焊接的钯铜箔上面，转动铂丝，沿着铂丝转动的方向将铺石墨烯膜的钯铜箔卷绕在铂丝上，利用压实模具挤压石墨烯膜、钯铜箔和铂丝，使三者紧密贴合，即完成卷绕组合体的制备，卷绕组合体的直径为6mm；
步骤二、将步骤一卷绕完成的卷绕组合体装入清洗干净的内径为6mm，壁厚为1mm的无氧铜管中，并将无氧铜管两端封装；
步骤三、将步骤二封装后的钯铜/石墨烯/铂复合棒材进行高温处理，处理过程一直保持在惰性气体和氢气气氛下，处理温度为900℃，保温时间为30min，即制得可加工性增强的钯铜/石墨烯/铂复合棒材；
步骤四、将步骤三得到的钯铜/石墨烯/铂复合棒材进行多道次拉拔加工，即可得到成品钯铜/石墨烯/铂复合导线。
实施例9
步骤一、选取直径为3mm，长度为200mm的铜丝，将宽度为180mm、厚度为0.5mm的铌箔的一端与铜丝焊接；将厚度为1mm、宽度为180mm的石墨纸平铺在已与铜丝焊接的铌箔上面，转动铜丝，沿着铜丝转动的方向将铺石墨纸的铌箔卷绕在铜丝上，利用压实模具挤压石墨纸、铌箔和铜丝，使三者紧密贴合，即完成卷绕组合体的制备，卷绕组合体的直径为8mm；
步骤二、将步骤一卷绕完成的卷绕组合体装入清洗干净的内径为6mm，壁厚为1mm的钛管中，并将钛管两端封装；
步骤三、将步骤二封装后的铌/石墨/钛/铜复合棒材进行高温处理，处理过程一直保持在惰性气体和氢气气氛下，处理温度为1000℃，保温时间为30min，即制得可加工性增强的铌/石墨/钛/铜复合棒材；
步骤四、将步骤三得到的铌/石墨/钛/铜复合棒材进行辊轧和多道次拉拔加工，即可得到成品铌/石墨/钛/铜复合导线。

Claims (8)

1.一种卷绕法制备金属/碳复合导线的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)制备由金属箔、碳膜及金属丝形成的卷绕组合体；
(2)将卷绕组合体装入与其直径相匹配的金属管中，并对金属管两端进行密封，得到金属/碳复合棒；
(3)对金属/碳复合棒进行高温处理，得到可加工性增强的金属/碳复合棒材；
(4)对所述可加工性增强的金属/碳复合棒材进行多次拉拔，制的成品金属/碳复合导线。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括以下步骤：
1)将金属箔的一端与金属丝焊接固定；
2)将碳膜平铺在一端与金属丝固定的金属箔上；
3)转动与金属箔连接的金属丝，沿金属丝转动的方向，将铺有碳膜的金属箔卷绕在金属丝上，然后利用压实模具挤压碳膜、金属箔和金属丝，使三者紧密贴合，制成卷绕组合体。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中金属箔为纯金属箔或者合金箔；碳膜为碳纳米管膜或碳纤维膜或氧化石墨烯膜或石墨烯膜或石墨纸。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的金属箔和碳膜的宽度均为40-250mm，所述的卷绕组合体的直径为4-50mm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，金属丝的直径为0.5-5mm，长度为60-300mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，金属管内径为4-50mm，壁厚为0.2-5mm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)的高温热处理过程处于惰性气体和氢气气氛下，处理温度为低于金属箔熔点～100℃，保温时间为10-60min。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中，所述的复合棒材采用拉拔或辊轧的方法将其加工成线材。
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