基于石墨烯的高导电复合材料的制备方法技术

本发明专利技术属于材料技术领域，涉及基于石墨烯的高导热复合材料制备方法。该方法包括以下步骤：(1)将石墨烯、炭黑和金属混合熔炼；(2)熔炼混匀的石墨烯合金熔体经磁场调节，内部石墨烯定向排布，在磁场调节的过程中，熔体冷却包裹金属丝，磁场方向与金属丝轴向平行；(3)将包裹石墨烯合金的金属丝通过拉伸模具拉出，制得所述高导电复合材料。本发明专利技术在复合材料制备阶段向其中添加二维石墨烯，并在定向磁场作用下使其沿轴线方向定向排布，利用石墨烯面内超高导电性的特点，大幅提高其导电率。

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯的高导电复合材料的制备方法
本专利技术属于材料
，涉及定向石墨烯材料，具体涉及基于石墨烯的高导电复合材料的制备方法。
技术介绍
铝元素在地球上储量丰富，导电性良好(铝合金电阻率约为铜的1.68倍)，其价格也较为低廉，因此在电工行业得到了巨大应用与发展。20世纪初，铝合金导线被首先应用于高压输电线路，之后在全世界范围得到了飞跃发展。目前在高压、超高压和特高压架空输电线路中应用最为广泛和成熟的是普通的钢芯铝绞线，其导电率一般为61％IACS，但是随着我国经济的快速发展，电力需求逐年攀升，如何提高输电效率、降低线路损耗等问题对电力建设部门及研究工作者提出了挑战。输电线路损耗主要包括电阻损耗和电晕损耗两方面，在后者基本相同的情况下，输电线路损耗主要由前者决定，提高导电率是降低输电损耗的一种有效方法，因此高导电率铝导体材料应运而生，前人对提高导线的导电性能的方法一般通过优化合金元素配比、改善热处理工艺或复合变质等方法，这些方法只能小幅度提升其导电性，提升空间有限。中国专利CN201711259430.9公开了一种利用定向凝固技术的制备方法，制备石墨烯/金属复合材料，定向凝固产生的连续柱状晶组织足有各向异性，可有效地提高材料的电导率，并且该方法易于与连续铸造相结合。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种高导电复合材料的制备方法，采用该方法制备的材料可提高输电效率、降低线路损耗，对电力传输、节能减排意义重大。本专利技术是采用以下的技术方案实现的：一种基于石墨烯的高导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)按质量百分比称取石墨烯、炭黑和金属，恒温真空熔炼，混匀石墨烯和金属；(2)将步骤(1)制得的熔炼混匀的石墨烯合金熔体经磁场调节，熔体内部石墨烯定向排布，磁场调节的过程中，将熔体冷却包覆金属丝，磁场方向与金属丝轴向平行；(3)将包裹石墨烯合金的金属丝通过拉伸模具拉出，制得所述高导电复合材料。所述金属包括锡、铬、钴、铂、钨、锆和铝。所述步骤(1)中石墨烯、炭黑和金属的质量百分比为，石墨烯为1.0wt％～5.0wt％，炭黑为0.9wt％～1.5wt％，锡为1.3wt％～2.2wt％、铬为0.7wt％～1.6wt％、钴为0.5wt％～3.5wt％、铂为0.2wt％～0.6wt％、钨为0.8wt％～1.8wt％、锆为0.5wt％～0.9wt％，余量为铝，以上组分质量百分比之和为100％。所述步骤(1)中恒温真空熔炼过程，恒温温度为790～850℃，真空度为0.1～1.0Pa，熔炼时间3～6h，步骤(2)中冷却温度为430～470℃。所述步骤(2)中磁场强度为0.5～5T。具体的，将石墨烯、炭黑和金属加入配套加工装置，真空条件下高温熔炼，搅拌混匀后，在出料管道对石墨烯铝合金熔体进行降温冷却、包裹在金属丝表面，在冷却过程中受定向磁场调节，将包裹冷却熔体的金属丝通过拉伸模具拉出，制得所述高导电复合材料。所述配套加工装置包括混合部、出料部、包裹部和拉伸部；所述混合部包括高温熔炼炉，高温熔炼炉与真空泵连通；高温熔炼炉内部设有熔炼坩埚，熔炼坩埚外周设有发热体，内部插有搅拌器；搅拌器通过传动轴与搅拌电机连接，搅拌电机位于高温熔炼炉顶部中心；所述出料部位于混合部下方，包括出料管道、阀门和保温层，出料管道为弯折管道，一端为垂直管道，一端为水平管道；出料管道的垂直管道端与熔炼坩埚底部连通，连接处设置有阀门；出料管道的水平管道端与包裹部的管道配合连通；出料管道外周包裹有保温层；所述包裹部包括一端与出料管道连通的管道，管道另一端与拉伸部的拉伸模具连通，管道外侧缠绕有感应线圈；管道与出料管道的连接处开有金属丝进口，金属丝进口与拉伸模具之间的管道的外壁紧密贴合有环状水冷管，环状水冷管位于感应线圈和管道之间；在金属丝进口处的管道内部设有不锈钢滑轮，不锈钢滑轮与环状水冷管位于金属丝进口的同侧，不锈钢滑轮外周的上缘与管道中轴线相切；所述拉伸部包括拉伸模具和导电线拉伸盘轴，拉伸模具的物料孔道与管道同轴连接。所述感应线圈为中空管状，内径为50mm，内部通有冷却水；感应线圈中心部位与拉伸模具之间的管道外侧包裹环状水冷管。所述金属丝进口和拉伸模具的物料孔道出口直径均大于金属丝的直径。所述金属丝为不锈钢丝，直径为φ2.8～7.8mm。本专利技术提出一种高导电率材料及制备方法，在制备导线的过程中加入二维石墨烯材料，并施加高强度定向分布的磁场，利用二维石墨烯的抗磁性使其在导线中沿轴线方向定向排列，利用石墨烯存在狄拉克点，使得电子可在石墨烯面内运动中不受声子碰撞而完全隧穿，从而实现石墨烯中的空穴与电子可以拥有非常长的自由程，这使得电子运动受温度的影响非常小，从而实材料的高导电率，将高导电性的铝合金以冶金结合的方式包覆在不锈钢丝四周，可有效的提高复合导电线的强度。与现有技术相比，本专利技术取得的有益效果是：(1)区别于其它高导电材料在合金元素优化配比、改善热处理工艺和复合变质等方法，本专利技术在导线制备阶段向其中添加二维石墨烯，并在定向磁场作用下使其沿轴线方向定向排布，利用石墨烯面内超高导电性的特点，大幅提高其导电率；(2)本专利技术制备的导线中心部分是不锈钢材质，外层为石墨烯铝合金，根据交流高压输电过程中，电流具有“趋肤效应”，所以在电能传输过程中，其电流将全部集中在铝合金中传输，铝合金因分布有定向排布的石墨烯而具有极高的导电性，相对于传统的钢芯铝绞线，其导电性更高；(3)因本专利技术制备的复合导线中心为不锈钢丝，相对于传统的钢芯铝绞线，其强度更高。附图说明图1是本专利技术一较佳实施方式中的配套加工装置使用状态示意图；图2是本专利技术一较佳实施方式中的配套加工装置局部放大图；图中各标记如下：1高温熔炼炉、2真空泵、3搅拌电机、4传动轴、5搅拌器、6熔炼坩埚、7发热体、8石墨烯铝合金熔体、9阀门、10保温层、11感应线圈、12环状水冷管、13拉伸模具、14高导电复合材料、15导电线拉伸盘轴、16不锈钢丝、17出料管道、18滑轮、19管道、20金属丝进口。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术的方法进行说明，但本专利技术并不局限于此。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，均采用分析纯试剂，如无特殊说明，均可从商业途径获得。传统的钢芯铝绞线为φ4.5～φ9.6(mm)，购自河北安通电线电缆有限公司,型号LGJ-10/2、LGJ-16/3、LGJ-25/4、LGJ-35/6、LGJ-50/8，导电率60.8％IACS、61.5％IACS、61.6％IACS。实施例1配套加工装置包括混合部、出料部、包裹部和拉伸部；混合部包括高温熔炼炉1，高温熔炼炉1与真空泵2连通；高温熔炼炉1内部设有熔炼坩埚6，熔炼坩埚6外周设有发热体7，内部插有搅拌器5；搅拌器5通过传动轴4与搅拌电机3连接，搅拌电机3位于高温熔炼炉1顶部中心；出料部位于混合部下方，包括出料管道17、阀门9和保温层10，出料管道17为弯折管道，一端为垂直管道，一端为水平管道；出料管道10的垂直管道端与熔炼坩埚6底部连通，连接处设置有阀门9；出料管道17的水平管道端与包裹部的管道19配合连通；出料管道17外周包裹有保温层10包裹部包括一端与出料管道17连通的管道19，管道19另一端本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯的高导电复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按质量百分比称取石墨烯、炭黑和金属，恒温真空熔炼，混匀石墨烯和金属；(2)将步骤(1)制得的熔炼混匀的石墨烯合金熔体经磁场调节，熔体内部石墨烯定向排布，磁场调节的过程中，将熔体冷却包覆金属丝，磁场方向与金属丝轴向平行；(3)将包裹石墨烯合金的金属丝通过拉伸模具拉出，制得所述高导电复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯的高导电复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按质量百分比称取石墨烯、炭黑和金属，恒温真空熔炼，混匀石墨烯和金属；(2)将步骤(1)制得的熔炼混匀的石墨烯合金熔体经磁场调节，熔体内部石墨烯定向排布，磁场调节的过程中，将熔体冷却包覆金属丝，磁场方向与金属丝轴向平行；(3)将包裹石墨烯合金的金属丝通过拉伸模具拉出，制得所述高导电复合材料。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的高导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属包括锡、铬、钴、铂、钨、锆和铝。3.根据权利要求2所述的基于石墨烯的高导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中石墨烯、炭黑和金属的质量百分比为，石墨烯为1.0wt％～5.0wt％，炭黑为0.9wt％～1.5wt％，锡为1.3wt％～2.2wt％、铬为0.7wt％～1.6wt％、钴为0.5wt％～3.5wt％、铂为0.2wt％～0.6wt％、钨为0.8wt％～1.8wt％、锆为0.5wt％～0.9wt％，余量为铝，以上组分质量百分比之和为100％。4.根据权利要求3所述的基于石墨烯的高导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中恒温真空熔炼过程，恒温温度为790～850℃，真空度为0.1～1.0Pa，熔炼时间3～6h，步骤(2)中冷却温度为430～470℃。5.根据权利要求3所述的基于石墨烯的高导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中磁场强度为0.5～5T。6.根据权利要求1-5任一项所述的基于石墨烯的高导电复合材料的制备方法，其特征在于，将石墨烯、炭黑和金属加入配套加工装置，真空条件下高温熔炼，搅拌混匀后，在出料管道对石墨烯铝合金熔体进行降温冷却、包裹在金属丝表面，在冷却过程中受定向磁场调节，将包裹冷却熔体的金属丝通过拉伸模具拉出，制得所述高导电复合材料。7.根据权利要求6所述的基于石墨烯的高导电复合材料的制备方法，其特征在于，所述配套加工装置包括混合部、出料部、包裹部和拉伸部；所述混合部包括高温熔炼炉...

【专利技术属性】
技术研发人员：董豪聪，李俊竺，姜小川，王洪炜，田博，
申请(专利权)人：厦门十一维科技有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35