一种电缆用石墨烯/铝复合材料单丝的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种电缆用石墨烯/铝复合材料单丝的制备方法，包括以下步骤：制备石墨烯分散液和纳米铝粉分散液；将纳米铝粉分散液和石墨烯分散液按照混合，并压制成多个纳米铝粉‑石墨烯预制块；将纯铝放入感应炉中，利用石墨罩将纳米铝粉‑石墨烯预制块压入到铝熔体中，随后将石墨烯/铝熔体冷却，并将石墨烯/铝熔体浇注到金属模具中；将得到的石墨烯/铝复合材料铸锭加热，进行挤压变形处理，得到石墨烯/铝复合材料杆件；将石墨烯/铝复合材料杆件退火，随后进行12道次室温拉拔变形，得到石墨烯/铝复合材料单丝，最后退火，得到电缆用石墨烯/铝复合材料单丝。本发明专利技术解决了因石墨烯团聚引起的石墨烯/铝复合材料导电性能降低的问题。

A preparation method of graphene/aluminium composite monofilament for cable

【技术实现步骤摘要】
一种电缆用石墨烯/铝复合材料单丝的制备方法
本专利技术涉及一种电缆用石墨烯/铝复合材料单丝的制备方法，属于电化学

技术介绍
近年来，经济持续快速的增长带动电线电缆工业快速发展，到2012年中国电缆工业年产值已经突破9000亿元大关，成为机械行业中仅次于汽车制造业的第二大产业。随着国际铜价的不断攀升，传统以铜为主要材料的铜电缆(铜在整个电缆中占的成本达到70％以上)价格也升高。寻找价格比等品质铜电缆低的载流导体有助于电缆的制造成本。我国铝资源十分的丰富且价格比较稳定，致使当前出现了以铝代铜的趋势。需要指出的是铝电缆的推广受其导电率的约束(61％IACS)，另外铝存在机械强度较差，易发生蠕变，容易过载发热，易发生电化学和化学腐蚀等问题，这也严重地制约铝电缆的发展。为解决这些问题，科研人员将石墨烯引入到铝基体中。石墨烯是碳原子以sp2杂化形成的呈蜂巢晶排列构成的单层二维晶体，碳原子排列与石墨的单原子层相同。在电学性能方面，由于石墨烯的离域大π键将其整个体系连贯重叠在一起，电子在面内运动受到的势垒阻碍作用小，室温下电子的平均自由程可达到微米级，这可有助于提升铝基体的电导率。目前，石墨烯/铝复合材料制备的主要环节是石墨烯与微米级铝粉球磨混粉，该路线的显著不足有两点：在微观尺度上石墨烯难以与铝粉混合；石墨烯在铝基体中容易团聚，从而影响其导电性能的发挥。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种石墨烯分散均匀线径为0.5mm的石墨烯/铝复合材料单丝的制备方法，以解决因石墨烯团聚引起的石墨烯/铝复合材料导电性能降低的问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种电缆用石墨烯/铝复合材料单丝的制备方法，包括以下步骤：(1)取石墨烯粉体和纳米铝粉，在电磁搅拌条件和超声波环境下，以乙醇为溶剂，分别制得石墨烯分散液和纳米铝粉分散液；(2)在电磁搅拌和超声波环境条件下，将纳米铝粉分散液和石墨烯分散液按照混合，将混合分散液烘干，得到纳米铝粉包裹石墨烯的混合物粉体，利用压片机将烘干的混合物粉体压制成多个纳米铝粉-石墨烯预制块；(3)将纯铝放入感应炉中，铝熔体温度达到750℃时利用石墨罩将纳米铝粉-石墨烯预制块压入到铝熔体中，并保温15-20min，得到石墨烯/铝熔体，随后将石墨烯/铝熔体冷却到710℃，并将石墨烯/铝熔体浇注到金属模具中，得到石墨烯/铝复合材料铸锭；(4)将石墨烯/铝复合材料铸锭加热到450℃，保温10-30min，进行挤压变形处理，得到石墨烯/铝复合材料杆件；(5)将石墨烯/铝复合材料杆件在300℃下退火3h，随后进行12道次室温拉拔变形，得到石墨烯/铝复合材料单丝，最后石墨烯/铝复合材料单丝在300℃下退火2h，得到所述电缆用石墨烯/铝复合材料单丝。优选的，所述步骤(1)中，石墨烯分散液浓度为是0.35mg/mL。优选的，所述步骤(1)中，纳米铝粉分散液浓度为100mg/mL。优选的，所述步骤(1)中，制备石墨烯分散液和纳米铝粉分散液时，电磁搅拌的转速不低于800转/min，超声波的功率不低于600W。优选的，所述步骤(2)中，纳米铝粉分散液和石墨烯分散液按照体积比1:1～1.5的比例混合。优选的，所述步骤(2)中，电磁搅拌的转速不低于800转/min，超声波的功率不低于600W，压片机的压力不低于20Mpa。优选的，所述步骤(3)中，金属模具的内径为20mm，所述步骤(4)中，石墨烯/铝复合材料杆件的直径为5mm，所述步骤(5)中，石墨烯/铝复合材料单丝的直径为0.5mm。优选的，所述步骤(5)中，12道次室温拉拔变形的模具孔径依次为：4.2mm、3.6mm、2.8mm、2.4mm、2.0mm、1.7mm、1.4mm、1.2mm、1mm、0.8mm、0.6mm、0.5mm。优选的，所述步骤(5)中，12道次室温拉拔变形的拉拔速率依次为：第1-3次为12-15mm/s；第4-7次为20-25mm/s；第8-9次为30-35mm/s；第10-12次为35-40mm/s。有益效果：本专利技术提供的方法，使用超声分散混合的方法实现石墨烯和纳米铝粉的均匀混合，经过压制成预制块使得复合材料形态稳定，之后利用感应炉熔炼纯铝锭，利用石墨罩将纳米铝粉-石墨烯预制块压入到铝熔体中，浇注得到石墨烯/铝复合材料铸锭。铸锭经热挤压和拉拔处理，得到直径0.5mm的石墨烯/铝复合材料单丝。超声分散混合方法使得石墨烯和纳米铝粉混合更加均匀，且具有纳米铝粉包裹石墨烯的结构，熔炼过程中铝粉容易进入熔体，包裹的石墨烯容易在熔体中分散开来，从而容易获得石墨烯分散均匀的石墨烯/铝复合材料铸锭，克服了石墨烯团聚问题，有利于提高复合材料的导电性能和力学性能。附图说明图1本专利技术制备的石墨烯/铝复合材料单丝的实物图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。实施例1一种石墨烯/铝复合材料单丝的制备方法，包括以下步骤：(1)取石墨烯粉体和纳米铝粉，在电磁搅拌条件下将石墨烯粉体引入到无水乙醇中，搅拌时间为1h，随后将石墨烯-无水乙醇混合溶液在大功率超声波环境下进行分散处理，超声时间为2h，制备浓度为0.35mg/mL的石墨烯分散均匀的石墨烯分散液；其中，电磁搅拌的转速不低于800转/min，超声波的功率不低于600W；在电磁搅拌条件下将纳米铝粉引入到无水乙醇中，搅拌时间为1h，随后将铝粉-无水乙醇混合溶液在大功率超声波环境下进行分散处理，超声时间为2h，制备浓度为100mg/mL的铝粉分散液；其中，电磁搅拌的转速不低于800转/min，超声波的功率不低于600W；(2)在电磁搅拌和随后的大功率超声波环境条件下将纳米铝粉分散液和石墨烯分散液按照体积比1:1的比例混合搅拌，搅拌时间和超声处理时间分别为0.5h和1h，混合分散液70℃下烘干，得到纳米铝粉包裹石墨烯的混合物粉体，利用压片机将烘干的混合物粉体压制成多个预制块；其中，电磁搅拌的转速不低于800转/min，超声波的功率不低于600W，压片机的压力不低于20Mpa；(3)将纯铝放入感应炉中，铝熔体温度达到750℃时利用石墨罩将纳米铝粉-石墨烯预制块压入到铝熔体中，并保温15-20min，得到石墨烯/铝熔体，随后将石墨烯/铝熔体冷却到710℃，并将石墨烯/铝熔体浇注到内径为20mm的金属模具中，得到石墨烯质量含量为0.05％的石墨烯/铝复合材料铸锭；(3)将直径20mm的石墨烯/铝复合材料铸锭加入到450℃，保温30min，进行挤压变形处理，得到直径5mm的石墨烯/铝复合材料杆件；将石墨烯/铝复合材料杆件在300℃下退火3h，随后在表2所示的速率下进行如表1所示的12道次室温拉拔变形，得到直径0.5mm的石墨烯/铝复合材料单丝，最后石墨烯/铝复合材料单丝在300℃下退火2h，得到电缆用石墨烯/铝复合材料单丝。表1拉拔过程各道次模孔直径表2拉拔过程各道次的拉拔速率实施例2一种石墨烯/铝复合材料单丝的制备方法，包括以下步骤：(1)取石墨烯粉体和纳米铝粉，在电磁搅拌条件下将石墨烯粉体引入到无水乙醇中，搅拌时间为1h，随后将石墨烯-无水乙醇混合溶液在大功率超声波环境下进行分散处理，超声时间为2h，制备浓度为0.35mg/mL的石墨烯分散均匀的石墨烯分散液；其中，电磁搅拌的转速不低于800转/min，超本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电缆用石墨烯/铝复合材料单丝的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)取石墨烯粉体和纳米铝粉，在电磁搅拌条件和超声波环境下，以乙醇为溶剂，分别制得石墨烯分散液和纳米铝粉分散液；(2)在电磁搅拌和超声波环境条件下，将纳米铝粉分散液和石墨烯分散液按照混合，将混合分散液烘干，得到纳米铝粉包裹石墨烯的混合物粉体，利用压片机将烘干的混合物粉体压制成多个纳米铝粉‑石墨烯预制块；(3)将纯铝放入感应炉中，铝熔体温度达到750℃时利用石墨罩将纳米铝粉‑石墨烯预制块压入到铝熔体中，并保温15‑20min，得到石墨烯/铝熔体，随后将石墨烯/铝熔体冷却到710℃，并将石墨烯/铝熔体浇注到金属模具中，得到石墨烯/铝复合材料铸锭；(4)将石墨烯/铝复合材料铸锭加热到450℃，保温10‑30min，进行挤压变形处理，得到石墨烯/铝复合材料杆件；(5)将石墨烯/铝复合材料杆件在300℃下退火3h，随后进行12道次室温拉拔变形，得到石墨烯/铝复合材料单丝，最后石墨烯/铝复合材料单丝在300℃下退火2h，得到所述电缆用石墨烯/铝复合材料单丝。

【技术特征摘要】
1.一种电缆用石墨烯/铝复合材料单丝的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)取石墨烯粉体和纳米铝粉，在电磁搅拌条件和超声波环境下，以乙醇为溶剂，分别制得石墨烯分散液和纳米铝粉分散液；(2)在电磁搅拌和超声波环境条件下，将纳米铝粉分散液和石墨烯分散液按照混合，将混合分散液烘干，得到纳米铝粉包裹石墨烯的混合物粉体，利用压片机将烘干的混合物粉体压制成多个纳米铝粉-石墨烯预制块；(3)将纯铝放入感应炉中，铝熔体温度达到750℃时利用石墨罩将纳米铝粉-石墨烯预制块压入到铝熔体中，并保温15-20min，得到石墨烯/铝熔体，随后将石墨烯/铝熔体冷却到710℃，并将石墨烯/铝熔体浇注到金属模具中，得到石墨烯/铝复合材料铸锭；(4)将石墨烯/铝复合材料铸锭加热到450℃，保温10-30min，进行挤压变形处理，得到石墨烯/铝复合材料杆件；(5)将石墨烯/铝复合材料杆件在300℃下退火3h，随后进行12道次室温拉拔变形，得到石墨烯/铝复合材料单丝，最后石墨烯/铝复合材料单丝在300℃下退火2h，得到所述电缆用石墨烯/铝复合材料单丝。2.根据权利要求1所述的电缆用石墨烯/铝复合材料单丝的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，石墨烯分散液浓度为是0.35mg/mL。3.根据权利要求1所述的电缆用石墨烯/铝复合材料单丝的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，纳米铝粉分散液浓度为100mg/mL。4.根据权利要求1所述的电缆用石墨烯/铝复合材料单丝的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：戚继球，隋艳伟，委福祥，孟庆坤，任耀剑，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32