一种石墨烯铜包铝合金排线及其制备方法技术

本发明专利技术涉及导电材料技术领域，公开了一种石墨烯铜包铝合金排线及其制备方法，该排线由石墨烯铝合金芯线以及包覆于其表面的铜层组成；所述石墨烯铜包铝合金排线的宽度为30‑200mm，厚度为3‑10mm，宽厚比为10:1‑35:1；所述石墨烯铝合金芯线中含有铝97‑98wt%，含有导电石墨烯粉0.8‑1.8wt%。本发明专利技术的石墨烯铜包铝合金排线成本低、导电性能好、抗拉强度高、延展性好。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯铜包铝合金排线及其制备方法
本专利技术涉及导电材料
，尤其涉及一种石墨烯铜包铝合金排线及其制备方法。
技术介绍
铜是目前应用最为广泛的导电材料，大多数的导线为主要为铜材质。但是我国属于贫铜富铝的国家，铜矿资源75％依靠进口，因此国家大力倡导研发新型铜铝复合材料，以此来降低我国对于铜材的消耗，达到‘以铝节铜’的战略目的。例如申请号为CN200810057667.X的中国专利公开了一种铜包铝复合排线及其制备方法，铜包铝复合排线由芯层铝及包覆层铜复合而成，铜包覆层面积比例为15％～40％，其制备步骤为：采用水平连铸直接复合成形铜包铝复合坯料；将铜包铝坯料根据需要进行多道次孔型轧制和/或多道次拉拔，采用轧制速度3～60m/min，单道次相对压下量20％～40％，或采用拉拔速度2～30m/min，单道次断面缩减率10％～25％；当多道次加工，铜包铝复合材料总断面缩减率达到75％～95％时，对铜包铝复合材料进行低温中间退火，退火温度为200～450℃，退火时间为0.5～2h；对退火后的坯料继续进行进一步轧制或拉拔，制成所需断面形状和尺寸铜包铝复合排线。为了进一步提升铜包铝导电芯线的综合性能，现有技术中还在导电芯线中添加了稀土、镁等元素。但同时是这也会产生芯线机械性能下降，电阻率增大等技术问题。在研制新型变压器、节能母线槽、高低压开关柜时对铜包铝导电芯线提出了新的要求，传统的铜包铝导电芯线的抗拉强度及电阻率无法满足要求，造成新型变压器、节能母线槽、高低压开关柜的抗冲击能力无法满足设计要求，故针对市场需要，有必要开发出一款成本低、导电芯线机械性能好、电阻率低的导线材料。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种石墨烯铜包铝合金排线及其制备方法，本专利技术的石墨烯铜包铝合金排线成本低、导电性能好、抗拉强度高、延展性好。本专利技术的具体技术方案为：一种石墨烯铜包铝合金排线，由石墨烯铝合金芯线以及包覆于其表面的铜层组成；所述石墨烯铜包铝合金排线的宽度为30-200mm，厚度为3-10mm，宽厚比为10∶1-35∶1；所述石墨烯铝合金芯线中含有铝97-98wt％，含有导电石墨烯粉0.8-1.8wt％，余量为杂质。本专利技术采用上述配方制造石墨烯铜包铝合金母线排线，可用于变压器、节能母线槽、高低压开关、柜控制柜和各类电器件的绕组上。本专利技术团队通过研究发现，石墨烯是铝、镁、锌、铜等有色金属良好的净化剂、细化剂和合金剂，一般只需加入千分之几，就能起到消除有害杂质的影响，细化晶粒并产生合金化的作用，从而提高材料的加工和使用性能。在本专利技术中，石墨烯的作用是：1、导电石墨烯粉具有完美的二维晶体结构，它的晶格是有六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。石墨烯具有优异的力学性能，其硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。2、石墨烯具有出色的电学性能，在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度，赋予了石墨烯超好的导电性，在室温状况，传递电子的速度比已知的导体都快。常温下其电子迁移率超过15000Cm2/v.s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω.cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。本专利技术将导电石墨烯粉与铝进行复合，导电石墨烯粉吸附性高、活化性高、易分散、与铝合金相容性好。综上所述，石墨烯的加入能有效地细化晶粒，提高石墨烯铝合金芯线的机械强度，同时还能降低石墨烯铜包铝合金芯线的电阻率，克服了现有技术中加入铌、稀土、镁等元素造成的芯线的机械性能下降，电阻率增大造成导线的导线性能下降的问题。本专利技术的石墨烯铜包铝合金排线的电阻率为0.02133--0.02425Ω.mm2/m，在软态下的延伸率≥10％，在硬态下的延伸率≥1.5％，具有优于纯铜导线的延伸率，具有较好的加工性能，另外石墨烯铜包铝合金排线的抗拉强度优于铜的抗拉强度，同时由于石墨烯铜包铝合金排线的密度均值仅为3.20g/cm3左右，是纯铜导线的35.9％，在线径规格与重量相同的条件下，该产品与纯铜导线的长度比为2.8∶1，即生产1吨石墨烯铜包铝合金复合导体材料可节约1.8吨纯铜，有效地节约了铜资源，降低了下游产业产品的成本，具有重大的经济效益。作为优选，所述石墨烯铜包铝排线中铜层的质量百分数为15-20％。一种上述石墨烯铜包铝合金排线的制备方法，包括以下步骤：a)先将铝加热至液态进行冶炼，接着加入导电石墨烯粉，加入完成后混合搅拌，得到石墨烯铝合金液体，然后进行冶炼抽丝，制得石墨烯铝合金毛坯线。在本步骤中进行混合搅拌，能使石墨烯在铝液中更好地混合。b)对石墨烯铝合金毛坯线进行拉伸，同时进行精整处理，制得所需规格且表面圆整的石墨烯铝合金芯线。c)将铜带辊压形成管状，将石墨烯铝合金芯线包覆于管状铜带中，并通过氩弧焊接将管状铜带的缝进行焊接；或将铜管套在石墨烯铝合金芯线外面，形成石墨烯铜包铝合金母线。d)对石墨烯铜包铝合金母线进行真空退火。在真空环境中退火，能够防止石墨烯铜包铝合金母线表面被氧化。e)对退火后的石墨烯铜包铝合金母线进行连轧成型加工。采用连轧加工，可以改造石墨烯铝合金芯线的组织，进一步细化芯线的晶粒，消除微观组织缺陷，使石墨烯铜包铝合金母线的机械性能进一步提高。f)对连轧成型加工后的石墨烯铜包铝合金母线进行拉伸定型。拉伸定型即对石墨烯铜包铝合金母线进行多次拉拔，将其加工成客户需要规格的石墨烯铜包铝合金排线。g)收卷，形成料卷。作为优选，步骤d)中，退火温度为300～350℃，时间为2～3h。作为优选，在步骤f)后，对石墨烯铜包铝合金排线进行表面处理。可以根据客户对石墨烯铜包铝合金母线的表面进行处理，得到客户要求的表面质量。作为优选，在步骤c)前，对石墨烯铝合金芯线、铜带或铜管表面进行预处理：1)将石墨烯铝合金芯线、铜带或铜管放入电解槽中进行一次直流电解处理；电解后用水清洗表面。2)将石墨烯铝合金芯线、铜带或铜管放入电解槽中进行二次直流电解处理；电解后用水清洗表面。在进行铜包铝之前，先对石墨烯铝合金芯线、铜带或铜管进行预处理。其中，一次直流电解处理的目的一是清除金属表面的杂质，二是对金属表面进行电化学腐蚀，使金属表面产生大量的微细腐蚀凹坑。二次直接电解处理的目的是在一次直流电解处理的基础上，进一步对凹坑进行腐蚀，增大其表面积。在经过上述预处理后，金属表面在微观上变得凹凸不平，其作用是：1、增加铜、铝表面的接触面积，凹凸表面相互嵌合，增大摩擦力，从而在后续连轧、拉伸中石墨烯铝合金芯线与铜层不易发生相对位移，提高两种金属的界面结合力。2、由于铜和铝的导电率不同，因此在两种金属的界面，导电率会突然发生变化，从而影响电流的传导。而经过上述预处理后，铜、铝金属界面的融合度更好，经过后续连轧、拉伸后在界面形成一层铜、铝相互交融的界面相，其电导率介于铜、铝之间，使电流在界面的传导不变得那么“突兀”，可以起到缓冲的作用。作为优选，一次电解处理时，电流密度为0.03-0.05A/cm2，电解时间为1-3min；电解温度为20-30℃；二次电解处理时，电流密度为0.2-0.4A/cm2，电解时间为3-5s，电解温度为30-40℃。由于一次电解处理时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯铜包铝合金排线，其特征在于：由石墨烯铝合金芯线以及包覆于其表面的铜层组成；所述石墨烯铜包铝合金排线的宽度为30‑200mm，厚度为3‑10mm，宽厚比为10:1‑35:1；所述石墨烯铝合金芯线中含有铝97‑98wt%，含有导电石墨烯粉0.8‑1.8wt%。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯铜包铝合金排线，其特征在于：由石墨烯铝合金芯线以及包覆于其表面的铜层组成；所述石墨烯铜包铝合金排线的宽度为30-200mm，厚度为3-10mm，宽厚比为10:1-35:1；所述石墨烯铝合金芯线中含有铝97-98wt%，含有导电石墨烯粉0.8-1.8wt%。2.如权利要求1所述的一种石墨烯铜包铝合金排线，其特征在于，所述石墨烯铜包铝排线中铜层的质量百分数为15-20%。3.一种如权利要求1或2所述石墨烯铜包铝合金排线的制备方法，其特征在于包括以下步骤：a）先将铝加热至液态进行冶炼，接着加入导电石墨烯粉，加入完成后混合搅拌，得到石墨烯铝合金液体，然后进行冶炼抽丝，制得石墨烯铝合金毛坯线；b）对石墨烯铝合金毛坯线进行拉伸，同时进行精整处理，制得所需规格且表面圆整的石墨烯铝合金芯线；c）将铜带辊压形成管状，将石墨烯铝合金芯线包覆于管状铜带中，并通过氩弧焊接将管状铜带的缝进行焊接；或将铜管套在石墨烯铝合金芯线外面，形成石墨烯铜包铝合金母线；d）对石墨烯铜包铝合金母线进行真空退火；e）对退火后的石墨烯铜包铝合金母线进行连轧成型加工；f）对连轧成型加工后的石墨烯铜包铝合金母线进行拉伸定型；g）...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔晓明，彭丽楠，
申请(专利权)人：浙江明兴金属复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33