CN110444320A - 一种高强高导碳纤维增强铝基复合导线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强高导碳纤维增强铝基复合导线及其制备方法，属于铝基复合导线技术领域。本发明提供的高强高导碳纤维增强铝基复合导线，包括碳纤维束和铝基基体，所述铝基基体将碳纤维束包裹，并渗浸在碳纤维束的碳纤维丝之间。本发明提供的高强高导碳纤维增强铝基复合导线中碳纤维束的碳纤维丝之间填充有铝基基体，碳纤维和铝基基体结合紧密，具有高导电性，且其力学性能优异，抗拉强度可达114MPa，具有一定的弯曲能力，可通过后续的绞合制成不同截面尺寸的电线电缆。

Description

一种高强高导碳纤维增强铝基复合导线及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝基复合导线技术领域，尤其涉及一种高强高导碳纤维增强铝基复合导线及其制备方法。
背景技术
高强高导铝合金导线是重要的高压输电线材料，1950年起在世界范围内被广泛应用。但铝合金存在着高强度和高导电性不能兼得的矛盾，表1为几种常见的铝合金导线材料，其中1350纯铝导线导电率可达61％IACS，但抗拉强度仅为124MPa；随着增加合金元素Mg和Si的含量，铝合金的强度不断提高，但导电率却显著降低，以6061合金为例，通过增加Mg和Si元素，配以合适的热处理工艺(T6)，抗拉强度可达310MPa，但基体内过多的强化颗粒存在导致导电率降低至40％，过大的输电损耗严重制约了高强度铝合金导线的规模化应用。
表1常用铝合金导线牌号、主要强化元素含量及性能
在保持高导电性的前提下提高强度，达到导电性能和力学性能的良好匹配，一直是电力材料领域关注的热点问题。铝基复合材料为高强高导铝合金导线的研发提供了新的思路。以连续碳纤维束增强相为芯层，高导铝合金为外层组成的金属基复层材料，保留了铝基材料密度低、导电性高、耐蚀性和加工性好的优点，并且因为碳纤维的加入而具有很高的强度。碳纤维束集中于铝合金芯部，对材料的导电性影响很小，因此复合材料可以兼具高强度和高导电性。上世纪90年代开始，日本、美国、中国先后研制了碳纤维复合材料芯铝导线，其芯层是碳纤维为中心、玻璃纤维包覆制成的单根芯棒，***由多股铝合金绞合而成。复合导线具有很强的耐冲击性、抗拉强度和弯曲应力。但复合芯棒需要具备一定的尺寸和体积比，导致复合导线刚度高、横截面大且较难弯曲，影响盘卷、绞线及施工等工艺要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强高导碳纤维增强铝基复合导线及其制备方法，本发明所提供的高强高导碳纤维增强铝基复合导线力学性能优异，并且保留了一定的弯曲能力，可通过后续的绞合制成不同截面尺寸的电线电缆。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高强高导碳纤维增强铝基复合导线，包括碳纤维束和铝基基体，所述铝基基体将碳纤维束包裹，并渗浸在碳纤维束的碳纤维丝之间。
优选的，所述高强高导碳纤维增强铝基复合导线的直径为5～15mm。
优选的，所述碳纤维束的体积百分含量1～5％。
优选的，所述铝基基体为铝合金或金属铝
本发明还提供了上述技术方案所述的高强高导碳纤维增强铝基复合导线的制备方法，包括如下步骤：
将碳纤维束牵引浸入铝基熔体中，依次进行超声处理、脉冲磁场处理、间接冷却、挤压和直接冷却，得到高强高导碳纤维增强铝基复合导线。
优选的，所述超声处理的超声波方向垂直于所述碳纤维束，所述超声处理的功率为≥300W，时间为1～2min。
优选的，所述脉冲磁场处理的磁感线方向垂直于所述碳纤维束，所述脉冲磁场处理的频率为1～30Hz，脉冲磁场强度为10～40mT，时间为2～4min。
优选的，所述挤压的变形量为6～10％。
优选的，所述间接冷却所用循环水的温度为10～20℃，间接冷却的时间为1～2min；所述直接冷却所用冷却水的温度为10～20℃，直接冷却的时间为1～2min。
优选的，所述铝基熔体的温度为710～730℃。
本发明提供了一种高强高导碳纤维增强铝基复合导线，包括碳纤维束和铝基基体，所述铝基基体将碳纤维束包裹，并渗浸在碳纤维束的碳纤维丝之间。本发明提供的高强高导碳纤维增强铝基复合导线中碳纤维束的碳纤维丝之间填充有铝基基体，碳纤维和铝基基体结合紧密，可提高导电性，且其力学性能优异，抗拉强度大于114MPa，且具有比纯铝导线更高的抗弯强度和与纯铝导线相近的可弯曲性，因此可通过后续的绞合制成不同截面尺寸的电线电缆。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的高强高导碳纤维增强铝基复合导线的制备方法，包括如下步骤：将碳纤维束牵引浸入铝基熔体中，依次进行超声处理、脉冲磁场处理、间接冷却、挤压和直接冷却，得到高强高导碳纤维增强铝基复合导线。该制备方法简单，易于操作，且可实现连续制备，适合工业化应用。
附图说明
图1本发明实施例制备高强高导碳纤维增强铝基复合导线所用装置，
其中1为碳纤维束，2-为铝基熔液，3为定位辊，4为超声工具头，5为脉冲磁场发生器，6为结晶器，7为挤压嘴，8为直接冷却部件，9为牵引辊，10为高强高导碳纤维增强铝基复合导线；
图2实施例1所得高强高导碳纤维增强铝基复合导线横截面的SEM图；
图3实施例2和对比例1的三点弯曲样品和三点弯曲曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种高强高导碳纤维增强铝基复合导线，包括碳纤维束和铝基基体，所述铝基基体将碳纤维束包裹，并渗浸在碳纤维束的碳纤维丝之间。
在本发明中，所述高强高导碳纤维增强铝基复合导线的直径为5～15mm，更优选为10mm。在本发明中，所述高强高导碳纤维增强铝导线复合导线保留了一定的变形能力，上述直径有利于通过后续的绞合制成不同截面尺寸的电线电缆。
在本发明中，所述碳纤维束的体积百分含量优选为1～5％；所述碳纤维丝的直径优选为6～8μm。
在本发明中，所述铝基基体为铝合金或金属铝；所述铝合金优选为含Mg和/或Si的铝合金，所述Mg的含量优选＜0.3wt％，所述Si的含量优选＜0.2wt％。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的高强高导碳纤维增强铝基复合导线的制备方法，包括如下步骤：
将碳纤维束牵引浸入铝基熔体中，依次进行超声处理、脉冲磁场处理、间接冷却、挤压和直接冷却，得到高强高导碳纤维增强铝基复合导线。
在本发明中，通过超声处理过程中，超声波在铝基熔体中传播时，液体中的微小气泡(空化核)在超声作用下迅速膨胀、闭合，急剧崩溃时可释放出巨大的能量，产生速度110m/s的微射流，并在局部微区产生高温高压。强烈的空化作用有利于改善Al/C体系润湿性，并促进铝液向碳纤维内部浸渗；而脉冲磁场处理过程中，脉冲磁场产生电磁力，使铝基熔体对碳纤维束产生周期性的反复挤压，一方面促进了渗浸过程，另一方面在熔体中形成电磁压力梯度，使铝基熔体内部发生强制对流，使熔体内部温度和溶质(即合金元素)分布均匀，浸渗效果得到提升；在进行间接冷却时，与冷却设备接触的外层首先进行冷凝，内部为半凝固状态，然后进行挤压，挤压过程一方面促进铝基熔体和碳纤维的结合，另一方面，一定的变形处理有效消除界面处的气孔等铸造缺陷，提高材料致密度，然后经直接冷却，完全凝固，从而得到高强高导碳纤维增强铝基复合导线。此外，本发明所提供的制备方法可实现连续制备高强高导碳纤维增强铝基复合导线，适合工业化生产。
在本发明中，所述超声处理的超声波方向优选垂直于所述碳纤维束，所述超声处理的功率优选为≥300W，时间(即碳纤维束经过超声处理区域的时间)优选为1～2min；所述超声处理的频率优选为20kHz；所述超声处理所用超声设备的超声工具头与所述碳纤维束的垂直距离优选为10～20mm。在上述超声功率和时间的配合下，所述铝基熔体的渗浸效果最优。
在本发明中，所述脉冲磁场处理的磁感线方向优选垂直于所述碳纤维束，所述脉冲磁场处理的频率优选为1～30Hz，所述脉冲磁场处理的强度优选为10～40mT，时间(即碳纤维束经过脉冲磁场处理区域的时间)优选为2～4min。在本发明实施例中，为了得到上述磁场处理的频率和强度，所述脉冲磁场处理所用电容器放电电压优选为700V，脉冲磁场发生器线圈匝数优选为80，单脉冲脉宽优选为0.5～5ms，单脉冲功率优选为0.5～5kW。在脉冲磁场处理的一个周期中，铝基熔体首先会受到指向碳纤维束方向的磁致压力作用，使得铝基熔体从碳纤维束四周对其产生挤压，随后，电磁挤压力消失，磁致拉力出现，铝基熔体在拉力的作用下发生伸张，这样铝基熔体对碳纤维束产生周期性的反复挤压，促进了渗浸过程的发生。
在本发明中，所述间接冷却优选在冷却结晶器中进行，所述间接冷却优选使用循环水冷却，所述间接冷却的时间(即碳纤维束经过冷却区域的时间)优选为1～2min，所述间接冷却的水流量优选为30～50L/h；所述循环水的温度优选为10～20℃；在本发明中，间接冷却能够使结晶器内的铝基熔体凝壳，形成具有一定强度的外壳，保证可以连续牵引，同时由于内部铝基熔体仍为液态，有利于后续挤压过程中铝基熔体的进一步渗浸。
在本发明中，所述挤压过程的变形量优选为6～10％。在本发明中，上述变形量可以在保证碳纤维束保持完整、不发生断裂的同时，未渗浸区域得到较好填充；同时，碳纤维丝与铝基体之间没有明显的界面，没有明显的孔洞(分层)缺陷残留。
在本发明中，所述直接冷却的方式优选为喷水冷却，所述直接冷却所用冷却水的温度优选为10～20℃，直接冷却的时间优选为1～2min。在本发明中，直接冷却能够使复合材料迅速冷却，完全凝固。
在本发明中，所述牵引的速率优选为30～60mm/min。在本发明中，上述牵引速率可得到较高的成品率。
在本发明中，所述铝基熔体的温度优选为铝基基体的熔点以上50～80℃，在本发明实施例中，当所述铝基基体为金属铝时，所述铝基熔体的温度优选为710～730℃。在本发明中，所述铝基熔体保持高温状态有利于充分发挥超声和脉冲磁场的功效，促进铝基熔液渗浸碳纤维束。
本发明对实现上述制备方法所用的装置没有特殊限定，能够实施例上述工艺即可，在本发明实施例中，优选采用图1所示的装置制备高强高导碳纤维增强铝基复合导线，如图1所示，所述装置包括定位辊3、超声工具头4、脉冲磁场发生器5、结晶器6、挤压嘴7、直接冷却部件8、牵引辊9。在该装置使用过程中，牵引辊牵引碳纤维束步进，碳纤维束1在牵引辊的牵引作用下进入铝基熔液2，超声工具头与碳纤维束平行设置，以使超声波的方向与碳纤维束垂直，对碳纤维束进行超声处理，使铝基熔液渗浸碳纤维束，然后经定位辊后转换为与超声工具头垂直的方向，在牵引作用下步入脉冲磁场处理区域(即脉冲磁场发生器对应的地方)，经脉冲磁场处理后，铝基熔液进一步渗浸到碳纤维束内部，然后进入结晶器进行间接冷却，材料外部与结晶器接触的部分率先凝固，在牵引出结晶器时，复合线材外部已经凝固成壳，但内部保持半固态，然后在挤压嘴的作用下材料发生小尺度的变形，挤压的过程一方面促进铝基基体和碳纤维的结合，另一方面一定的变形处理有效消除界面处的气孔等铸造缺陷，提高材料致密度，挤压出料，进行直接冷却(在本发明实施例中具体为喷水冷却)，得到高强高导碳纤维增强铝基复合导线。
下面结合实施例对本发明提供的一种高强高导碳纤维增强铝基复合导线及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
使用图1所示的装置制备高强高导碳纤维增强铝基复合导线，将由3000根单根直径7μm的碳纤维丝组成的碳纤维束在牵引作用(牵引速率为36mm/min)下浸入720℃的铝液中，进行超声处理，超声工具头与碳纤维束的距离为10mm，超声处理的功率为300W，频率为20kHz，超声区域的长度为60mm，碳纤维束经过超声区域的时间为1.67min；碳纤维束在牵引作用下，达到定位辊，转为与超声工具头垂直的方向，然后进入脉冲磁场处理区域，进行脉冲磁场处理，脉冲磁场处理的频率为5Hz，单脉冲脉宽为2ms，产生脉冲电流峰值500A，磁场强度40mT，经过脉冲磁场处理区域的时间为4min；脉冲磁场处理完成后，碳纤维束在牵引作用下进入结晶器，进行冷却，冷却用水的温度为15℃，结晶器内的水流量为40L/h，经过结晶器的时间为2min，此时复合材料外部已经形成凝壳，内部没有完全冷却，所述碳纤维束在牵引力的作用下进入挤压嘴，进行挤压，挤压形变量为8％；用15℃的水对从挤压嘴中出来的成型复合导线进行直接冷却，冷却的时间为2min；冷却后，得到直径10mm的高强高导碳纤维增强铝基复合导线。
测试本实施例所得高强高导碳纤维增强铝基复合导线横截面的SEM图，结果如图2所示，由图2可知本实施例所得导线中铝基体充分填充在碳纤维束的纤维丝之间，导线内没有空隙。
实施例2
采用实施例1的方法制备高强高导碳纤维增强铝基复合导线，不同之处在于所用碳纤维束为2万根直径为7μm的碳纤维丝组成的碳纤维束。
按照标准号GB/T228.1-2010公开的方法测试本实施例所得高强高导碳纤维增强铝基复合导线的抗拉强度，结果为114MPa。
对比例1
相同条件下制备直径为10mm的纯铝导线。
按照标准号GB/T228.1-2010公开的方法测试本对比例所得纯铝导线的抗拉强度，结果为65MPa。
按照标准号GB/T232-2010公开的方法对实施例2和对比例1所得导线进行三点弯曲测试，所得三点弯曲样品和三点弯曲曲线如图3所示，其中(a)为所得三点弯曲样品，(b)为所得弯曲曲线。由(a)可知，本实施例所得复合导线具有与纯铝导线相似的可弯曲性，可进行盘卷、绞线等操作；由(b)可知，实施例2所得复合导线与对比例1所得纯铝导线具有更高的抗弯强度，一定的抗弯强度能够在一定程度上避免导线使用过程中由于弯曲造成的导线损坏。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高强高导碳纤维增强铝基复合导线，其特征在于，包括碳纤维束和铝基基体，所述铝基基体将碳纤维束包裹，并渗浸在碳纤维束的碳纤维丝之间。
2.根据权利要求1所述的高强高导碳纤维增强铝基复合导线，其特征在于，所述高强高导碳纤维增强铝基复合导线的直径为5～15mm。
3.根据权利要求1或2所述的高强高导碳纤维增强铝基复合导线，其特征在于，所述碳纤维束的体积百分含量为1～5％。
4.根据权利要求1或2所述的高强高导碳纤维增强铝基复合导线，其特征在于，所述铝基基体为铝合金或金属铝。
5.权利要求1～4任一项所述的高强高导碳纤维增强铝基复合导线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将碳纤维束牵引浸入铝基熔体中，依次进行超声处理、脉冲磁场处理、间接冷却、挤压和直接冷却，得到高强高导碳纤维增强铝基复合导线。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述超声处理的超声波方向垂直于所述碳纤维束，所述超声处理的功率为≥300W，时间为1～2min。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述脉冲磁场处理的磁感线方向垂直于所述碳纤维束，所述脉冲磁场处理的频率为1～30Hz，磁场强度为10～40mT，时间为2～4min。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述挤压的变形量为6～10％。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述间接冷却所用循环水的温度为10～20℃，间接冷却的时间为1～2min；所述直接冷却所用冷却水的温度为10～20℃，直接冷却的时间为1～2min。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述铝基熔体的温度为铝基基体的熔点以上50～80℃。
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