一种耐张接续金具用铝碳复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种耐张接续金具用铝碳复合材料及其制备方法。将铝粉与分散于有机溶剂的碳粉混合均匀、干燥、球磨、压制成铝碳粉末块；以上述铝碳粉末块、铝块为原料进行冶炼、铸锭、开坯、轧制，即得高强度、抗松弛的接续金具材料。采用本发明专利技术的铝碳复合材料制造的接续金具导电性与纯铝相当。由于碳颗粒加入，大大提高了接续金具材料的硬度、强度和抗高温松弛性能。由于碳在大气中具有很好的稳定性，且不与铝形成合金或化合物，因而铝的耐腐蚀性能不发生明显的改变。制备步骤简单、操作方便、实用性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属电工材料
，特别涉及一种耐张接续金具用铝碳复合材料及其制备方法。
技术介绍
电压等级的提高，加之外界自然环境的复杂多变，使输电线路的接续金具产生过热和锈蚀等现象。特别是在夏季负荷高峰期，因耐张线夹的压接管和引流板过热所造成的热损毁已成为突出的电网安全运行隐患。《架空送电线路运行规程》(DL/T741)规定，耐张线夹运行温度不得高于导线(低于70℃)温度10℃，且导线与导流设备相对温差值超过35％为一般缺陷，超过80％则为重大缺陷。引起金具异常发热升温的主要原因有：(1)金具耐热性能和抗形变回复性能不足，长期运行或出现短时异常高温时压接形变回复，握力松弛，导致耐张管与导线之间压接不实，接触电阻增大，形成恶性循环；(2)电迁移导致接触面材料严重退化，高密度电流无法通过接触点，随之在原接触点附近形成新的导流点，这样周而复始，电接触日趋劣化，直到失效。为了提高接续金具的握力和抗热松弛性能，在铝中添加铜、锆、镍、钛、钒等金属元素制成铝合金，可以大大提高材料的强度和耐热性能，握力松弛现象会得到明显改善。但采用合金强化的主要问题在于，随着运行时间的延长，铝与这些合金元素之间不可避免地形成金属间化合物并长大，导致金具电阻率升高，温度进一步上升，金具工作特性恶化。因此，采用非合金化的复合增强方法是提高接续金具用铝材料强度的理想方法之一。
技术实现思路
为了克服上述不足，本专利技术提供一种高强度、高散热性能和良好电接触性能的接续金具材料。采用本专利技术的铝碳复合材料制造的接续金具导电性与纯铝相当。由于碳颗粒加入，大大提高了接续金具材料的硬度、强度和抗高温松弛性能。由于碳在大气中具有很好的稳定性，且不与铝形成合金或化合物，因而铝的耐腐蚀性能不发生明显的改变。当前，铝基复合材料的研究集中在两个方面：1)采用连续纤维增强；2)采用不连续增强体增强。其中，非连续增强体包括颗粒和晶须，使用最多的是SiC和Al2O3。因而，本专利技术首先选用SiC和Al2O3，制得的SiCp、Al2O3w增强铝基复合材料虽具有优异的耐磨性和低的热膨胀性，但会导致复合材料的导电性能严重恶化，难以满足接触金具的技术要求。为此，本专利技术在系统研究了铝基体与非连续增强体间的界面结合规律；材料浸润性和制备工艺对“应力分布、裂纹扩展和导电性”影响的基础上，对现有的非连续增强体进行了大规模的筛选，结果表明：采用碳粉对铝基体进行增强可获得预期的硬度、强度和抗高温松弛性能，制备的碳铝复合材料具有较优的热加工性、抗应变松弛性和导电性，能够满足架空送电线路建设中对接续金具的相关要求。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高强度、抗松弛的接续金具材料，所述接续金具材料为碳铝复合材料，强度σ0.2≥280MPa，硬度≥HB 160；其中，碳的质量分数为0.2％～10.0％。由铝-碳相图可知，在1200℃之下，无论是液态还是固态，碳在铝中的溶解度都极低，几乎为0，这就是说，在铝液中加入碳粉，并不形成铝碳合金。并且，由于不能形成固溶体，铝碳之间也几乎不发生互扩散。在铝碳体系中，唯一可能出现的金属间化合物是Al4C3，它的生成条件是在铝中碳含量超过40％，且要求的能量水平很高，在铝熔点之下存在的可能性极小。因而，铝-碳复合材料在接续金具工作条件下是非常稳定的体系。优选的，所述接续金具材料中杂质铁、硅及其它杂质总质量小于0.3％；优选的，所述碳粉还可用鳞片石墨粉、或鳞片石墨粉与碳粉的混合物替换。铝是热和电的良导体材料，碳也具有类似的性质。因而将适量的碳介入铝中不会对这两个关键因素产生明显的负面影响。研究中，希望采用碳纳米管对铝基体进行增强已获得更高性能的复合材料。但众所周知的是，碳纳米管粉末不能直接加入到熔融铝中实现分散。采用球磨方式制备中间过渡材料的球磨过程中，由于亚稳态的碳纳米管团簇聚集问题无法解决，最终不能保持其分散纳米材料的特征。因此，本专利技术优选的采用碳粉、鳞片石墨粉、或二者的混合物。优选的，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇丁醚醋酸酯或氯醋树脂中的至少一种。优选的，所述接续金具材料采用如下方法制备，包括：将铝粉与分散于有机溶剂的碳粉混合均匀、干燥、球磨、压制成铝碳粉末块；以上述铝碳粉末块、铝块为原料进行冶炼、铸锭、开坯、轧制，即得高强度、抗松弛的接续金具材料。在铝中加入均匀分布的微细碳颗粒，形成铝包覆或粘附碳的机械混合物，当铝粉与碳粉的质量比大于3：1时，碳粉对铝基体的增强效果不佳、材料在高温下的回复激活能和抗松弛性能下降；当铝粉与碳粉的质量比小于1：1时，有界面反应形成强界面结合，易引起复合材料低应力破坏。因此，本专利技术中优选的铝粉与碳粉的质量比为1～3：1。优选的，所述球磨处理后，碳粉的粒径小于1μm。在铝中加入均匀分布的微细碳颗粒获得的高强度铝碳复合材料，这主要是利用了颗粒弥散强化机制。通过行星球磨机研磨，一方面形成铝包覆或粘附碳的机械混合物，另一方面是使碳粉进一步细化至1μm以下颗粒尺寸，弥散强化效果更为显著，由于微细碳粉颗粒对铝在压制等形变过程中产生的位错、空位等缺陷的钉扎固定作用，提高了材料在高温下的回复激活能，因而使抗松弛性能明显上升。即使制成金具在较高温度(<180℃)下长期运行，压接形变部分也不出现明显的松弛。优选的，所述冶炼过程中，将铝碳粉末块压入铝液底部后，在搅拌状态下溶解的超细碳粉颗粒。以球磨方式将铝粉和碳粉进行充分的研磨细化，使碳粉与铝粉形成机械粘合或包覆颗粒，解决碳粉与铝溶液的润湿问题。压制的铝碳混合粉末块体在冶炼过程中压入铝液底部后，在搅拌状态下溶解的超细碳粉颗粒并不容易上浮而产生明显的比重偏析现象，从而保证了铸锭成分的均匀性。本专利技术还提供了一种高强度、抗松弛的接续金具材料的制备方法，包括：将铝粉与分散于有机溶剂的碳粉混合均匀、干燥、球磨、压制成铝碳粉末块；以上述铝碳粉末块、铝块为原料进行冶炼、铸锭、开坯、轧制，即得高强度、抗松弛的接续金具材料。优选的，所述铝粉与碳粉的质量比为1～3：1；优选的，所述接续金具材料中，碳的质量分数为0.2％～10.0％；优选的，所述接续金具材料中杂质铁、硅及其它杂质总质量小于2.0％；优选的，所述球磨处理后，碳粉的粒径小于1μm；优选的，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇丁醚醋酸酯或氯醋树脂中的至少一种。优选的，所述冶炼过程中，将铝碳粉末块压入铝液底部后，在搅拌状态下溶解的超细碳粉颗粒。本专利技术还提供了一种较优的高强度、抗松弛的接续金具材料，其质量百分比组成为：碳0.2％～10.0％，其余为铝；铁和硅成分作为重点控制的杂质元素，且二者的总含量<1.0％；其它杂质的总含量<1.0％。制备方法：(1)将粒度为500目～8000目(粒径1.5μm～25μm)的碳粉(是指包括碳粉、鳞片石墨粉中的一种或两种)溶于体积比为2:1的酒精(工业纯)中，在超声波振荡器中震动分散均匀后备用。(2)在上述碳粉酒精溶液中加入与干碳粉重量比为2:1的纯铝粉(活性铝含量不低于97.0％，粒度为400目～800目，粒径15μm～37μm)，在机械搅拌机中搅拌分散均匀后，置入烘干箱中烘干。(3)将烘干后的铝碳混合粉末加入到带有冷却和氩气保护的行星球磨机中，研磨一定时间后取出放入压制磨具中，用压力机压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强度、抗松弛的接续金具材料，其特征在于，所述接续金具材料为碳铝复合材料，强度σ0.2≥280MPa，硬度≥HB 160；其中，碳的质量分数为0.2％～10.0％。

【技术特征摘要】
1.一种高强度、抗松弛的接续金具材料，其特征在于，所述接续金具材料为碳铝复合材料，强度σ0.2≥280MPa，硬度≥HB 160；其中，碳的质量分数为0.2％～10.0％。2.如权利要求1所述的接续金具材料，其特征在于，所述接续金具材料中杂质铁、硅及其它杂质总质量小于1.5％；或所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇丁醚醋酸酯或氯醋树脂中的至少一种。3.如权利要求1所述的接续金具材料，其特征在于，所述接续金具材料采用如下方法制备，包括：将铝粉与分散于有机溶剂的碳粉混合均匀、干燥、球磨、压制成铝碳粉末块；以上述铝碳粉末块、铝块为原料进行冶炼、铸锭、开坯、轧制，即得高强度、抗松弛的接续金具材料。4.如权利要求3所述的接续金具材料，其特征在于，所述铝粉与碳粉的质量比为1～3：1。5.如权利要求3所述的接续金具材料，其特征在于，所述球磨处理后，碳粉的粒径小于1μm。6.如权利要求3所述的接续金具材料，其特征在于，所述冶炼过程中，将...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅敏，苏建军，李辛庚，王晓明，岳增武，陈素红，
申请(专利权)人：国网山东省电力公司电力科学研究院，山东电力工业锅炉压力容器检验中心有限公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：山东;37