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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A high strength and high conductivity carbon fiber reinforced aluminum matrix composite wire and its preparation method

The invention provides a high strength and high conductivity carbon fiber-reinforced aluminum matrix composite wire and a preparation method thereof, belonging to the technical field of aluminum matrix composite wire. The high strength and high conductivity carbon fiber reinforced aluminum matrix composite wire provided by the invention includes a carbon fiber bundle and an aluminum matrix, the aluminum matrix wraps the carbon fiber bundle and infiltrates between the carbon fiber wires of the carbon fiber bundle. The carbon fiber wires of the carbon fiber bundle in the high-strength and high-conductivity carbon fiber reinforced aluminum matrix composite wire provided by the invention are filled with aluminum matrix. The carbon fiber and aluminum matrix are closely combined, with high conductivity, excellent mechanical properties, tensile strength up to 114mpa, and certain bending capacity. Wires and cables with different cross-section sizes can be made by subsequent stranding.

【技术实现步骤摘要】
一种高强高导碳纤维增强铝基复合导线及其制备方法
本专利技术涉及铝基复合导线
，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。
技术介绍
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，外围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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术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专利技术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℃。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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本专利技术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。具体实施方式本专利技术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。在本专利技术中，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。在本专利技术中，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。在本专利技术中，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。在本专利技术中，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％。本专利技术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。在本专利技术中，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，本专利技术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。在本专利技术中，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。在本专利技术中，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。在本专利技术实施例中，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，脉冲磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇博，李廷举，王同敏，接金川，卢一平，康慧君，陈宗宁，郭恩宇，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21