一种架空线缆用定向石墨烯复合铝导体杆材及其制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种架空线缆用定向石墨烯复合铝导体杆材及其制备工艺，包括有铝合金外壳和芯材，铝合金外壳包覆在芯材外部形成壳芯结构，芯材采用取向石墨烯强化的铝合金复合材料制成，石墨烯为强化相，石墨烯的片层与铝合金外壳平行，形成同心取向，同时与长度方向平行。本发明专利技术通过提出一种新的石墨烯复合导体杆材结构和新的石墨烯复合铝导体杆材成分，开发一种架空缆线用定向石墨烯强化铝导体杆材制备工艺，实现了铝导体杆材轻质化，且其导电性无显著降低，与此同时显著提高铝杆材的弹性模量和抗拉强度，从而大幅度提高该导体杆材的耐用性和实用性。用性和实用性。用性和实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种架空线缆用定向石墨烯复合铝导体杆材及其制备工艺


[0001]本专利技术涉及输电线缆制造
，具体涉及一种架空线缆用石墨烯复合铝导体杆材及其制备工艺。

技术介绍

[0002]架空输电线缆作为主要的电力输送载体，在电线线路中占有极为重要的地位。金属铝作为轻质金属材料，具有良好的导电性，在线缆领域的应用前景十分广阔。铝合金的导电性和强度是一对相互矛盾性能，金属铝在合金化过程中，强度会显著提高，但同时会造成导电率明显降低。为保证线缆导电性，市场所用架空线缆导体一般为工业纯铝，但受限于纯铝本身强度，现阶段所采用的线缆一般以高强度钢丝作为承力芯，承力芯的重量已经超过线缆导体本身重量。
[0003]无论是新线路建设，还是旧线路改造，都需要一种轻质量、高模量、高强度的新型线缆。伴随着社会经济的高速发展，土地资源的日趋紧张，架空输电线路新通道的审批和新建成为电网建设的突出难题。提高线缆导体本体强度，降低承力芯在线缆中所占比例是新型线缆发展路线之一。
[0004]石墨烯是迄今为止实验室发现的最坚韧、导电性和导热性最好的材料，其抗拉强度最高可达到130 GPa，理论拉伸模量高达1000 GPa。此外，石墨烯在受力时特有的褶皱舒展再断裂过程，因此石墨烯具有良好的韧性和塑性。受益于石墨烯上述的优点，将石墨烯加入铝合金中，有望显著实现铝合金良好力学性能与高导电性的结合。但现有技术中将石墨烯应用于制作线缆的技术还不够成熟，导致线缆的质量没有达到理想的性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，提供一种可实现铝导体杆材轻质化，且导电性无显著降低，同时显著提高铝杆材的弹性模量和抗拉强度，大幅度提高导体杆材耐用性和实用性的架空线缆用定向石墨烯复合铝导体杆材及其制备工艺。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种架空线缆用定向石墨烯复合铝导体杆材，包括有铝合金外壳和芯材，铝合金外壳包覆在芯材外部形成壳芯结构，其特征在于：所述芯材采用取向石墨烯强化的铝合金复合材料制成，芯材的截面积占整个杆材总截面积的10~70%，其中石墨烯为强化相，其占芯材的重量百分比为0.1~3%，其余为铝合金；石墨烯的片层与铝合金外壳平行，形成同心取向，同时与长度方向平行。
[0007]用于制作芯材的铝合金成分如下：Fe：≤0.25%，Si：0.02
‑
0.20%，Mn：≤0.15%，Cu：≤0.04%，RE：0.001
‑
0.006%，Be：0.001
‑
0.002%，Zr：0.06
‑
0.10%，Sc：0.004
‑
0.006%，Zn：≤0.04%，余量为铝，当然，还可能包括有一些不可避免的杂质。
[0008]所述石墨烯同批次内石墨烯厚度分布波动和粒径分布波动小于5 %的石墨烯，石墨烯为单层石墨烯或多层石墨烯，其最大厚度≤10nm；石墨烯的平均片层数量为3
‑
5层，更优为最大厚度≤7nm。
[0009]所述铝合金外壳为添加有锰和镁的铝合金，其中镁的含量为4.0~5.4%，锰的含量为0.5~1.0%；铝合金外壳的外径为3~15mm，厚度为0.3~5mm。
[0010]一种基于前述架空线缆用定向石墨烯复合铝导体杆材的制备工艺，其特征在于：采用连续产线，线速度为0.1~5m/s，按以下步骤进行，步骤S1：用于制作芯材的复合材料采用粉末冶金方法制备，经配料、混料、真空干燥处理后获得铝/石墨烯均匀混合的粉料；步骤S2：采用分批次填充多道次轧制工艺，消除混合粉末之间孔隙，同时促进石墨烯片层取向；将步骤S1制得的铝/石墨烯混合粉料经喂料系统某一喂料口按照设定的喂料速率匀速投放至铝合金带材，采用宽度略小于铝合金带材宽度的模具进行冷轧以提高混合粉料的致密度，与此同时，铝合金带材同步产生变形；在下一喂料口继续投放重复上述步骤，直至铝合金带材完全转变为U型开口铝合金管且其内部被铝/石墨烯混合粉料填充；该轧制工艺完成后，石墨烯片层在U型开口铝合金管内呈同心状分布；步骤S3：将步骤S2制得的充满铝/石墨烯混合粉料的U型开口铝合金管进行初步轧制，经初步轧制后U型开口缩小至完全封闭，使U型开口铝合金管成为完整的管状结构铝合金外壳，如O型；步骤S4：对步骤S3制得的铝合金外壳的缝隙进行焊接，得到完全封闭、但芯材尚未完全致密的铝合金导体杆材；步骤S5：将步骤S4制得的铝合金导体杆材进行多道次冷轧，排除粉末与粉末、粉末与铝合金外壳之间的孔隙，提高芯材的致密度，并在每一步轧制完成后进行退火处理，以调节铝合金导体杆材的内应力；通过硬度检测监控内应力残留，并与挤压前相比使硬度增加值不超过70%；步骤S6：将步骤S5制得的铝合金导体杆材进行热轧，以进一步提高其致密度，同时促使粉末与粉末、粉末与铝合金外壳形成稳定有效的冶金连接；步骤S7：将步骤S6制得的铝合金导体杆材收卷放入热处理炉内进行处理，升温至270
‑
350℃之间，保温2
‑
3h，完成导体最终性能调控。
[0011]在步骤S1中，所述配料，即按照所需计量的石墨烯浆料、铝合金粉及有机溶剂进行配料，其中石墨烯的含量为0.01
‑
3%；所述混料，包括以下步骤：1）将铝合金粉加入石墨烯浆料中，得到铝/石墨烯混合浆料，根据混合浆的料粘度加入有机溶剂，使混合浆料粘度适当，有机溶剂为乙醇、二氯甲烷、氯仿中的至少一种；2）将混合浆料进行充分研磨混合，得到铝/石墨烯坯体；研磨混合采用高能球磨混合或高速分散，以制备均匀复合浆料；所述真空干燥，是将铝/石墨烯浆料放入真空干燥箱内，进行真空干燥，去除铝/石墨烯浆料中的有机溶剂，最终得到铝/石墨烯混合粉末；其烘干温度为50
‑
80℃，保温时间≥48h，真空度≤0.03MPa。
[0012]在步骤S2中，铝合金带材经轧制、焊接工艺后形成铝合金外壳，其宽度与外径为5
‑
20mm的圆的周长相同，厚度为1
‑
5mm，填充铝/石墨烯粉料以轧制后形成的U型开口的宽度为1
‑
18mm；所述喂料系统包含若干个线性分布的喂料口，任意一个喂料口的喂料速率 均可
单独调节，且喂料系统保持静止，铝合金带材以恒定速度经过喂料系统；喂料速率及铝合金带材移动速度均可根据铝合金带材宽度尺寸d及开口尺寸进行调整，以保证铝/石墨烯粉料完全铺满铝合金带材；分批次填充工艺是根据铝合金带材的尺寸将所需混合粉料由单个喂料口一次填充完成或由多个喂料口分批次填充；而多道次轧制工艺是在任意一个喂料口填料后均进行冷轧，冷轧次数与混合粉料填充次数保持一致；在任意一喂料口填充混合粉料，经轧制后其厚度≤1.5mm，致密度≥60%，铝合金带材变形量≤6%；更优为其厚度应在0.3
‑
1mm之间，致密度≥70%；石墨烯片层择优取向是在轧制力驱动下，石墨烯片层经多道次冷轧后，与铝合金外壳呈同心结构。
[0013]在步骤S4中，对于铝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种架空线缆用定向石墨烯复合铝导体杆材，包括有铝合金外壳和芯材，铝合金外壳包覆在芯材外部形成壳芯结构，其特征在于：所述芯材采用取向石墨烯强化的铝合金复合材料制成，芯材的截面积占整个杆材总截面积的10~70%，其中石墨烯为强化相，其占芯材的重量百分比为0.1~3%，其余为铝合金；石墨烯的片层与铝合金外壳平行，形成同心取向，同时与长度方向平行。2.根据权利要求1所述的架空线缆用定向石墨烯复合铝导体杆材，其特征在于：用于制作芯材的铝合金成分如下：Fe：≤0.25%，Si：0.02
‑
0.20%，Mn：≤0.15%，Cu：≤0.04%，RE：0.001
‑
0.006%，Be：0.001
‑
0.002%，Zr：0.06
‑
0.10%，Sc：0.004
‑
0.006%，Zn：≤0.04%，余量为铝。3.根据权利要求1所述的架空线缆用定向石墨烯复合铝导体杆材，其特征在于：所述石墨烯同批次内石墨烯厚度分布波动和粒径分布波动小于5 %的石墨烯，石墨烯为单层石墨烯或多层石墨烯，其最大厚度≤10nm；石墨烯的平均片层数量为3
‑
5 层。4.根据权利要求1所述的架空线缆用定向石墨烯复合铝导体杆材，其特征在于：所述铝合金外壳为添加有锰和镁的铝合金，其中镁的含量为4.0~5.4%，锰的含量为0.5~1.0%；铝合金外壳的外径为3~15mm，厚度为0.3~5mm。5.一种基于权利要求1所述的架空线缆用定向石墨烯复合铝导体杆材的制备工艺，其特征在于：采用连续产线，线速度为0.1~5m/s，按以下步骤进行，步骤S1：用于制作芯材的复合材料采用粉末冶金方法制备，经配料、混料、真空干燥处理后获得铝/石墨烯均匀混合的粉料；步骤S2：采用分批次填充多道次轧制工艺，消除混合粉末之间孔隙，同时促进石墨烯片层取向；将步骤S1制得的铝/石墨烯混合粉料经喂料系统某一喂料口按照设定的喂料速率匀速投放至铝合金带材，采用宽度略小于铝合金带材宽度的模具进行冷轧以提高混合粉料的致密度，与此同时，铝合金带材同步产生变形；在下一喂料口继续投放重复上述步骤，直至铝合金带材完全转变为U型开口铝合金管且其内部被铝/石墨烯混合粉料填充；该轧制工艺完成后，石墨烯片层在U型开口铝合金管内呈同心状分布；步骤S3：将步骤S2制得的充满铝/石墨烯混合粉料的U型开口铝合金管进行初步轧制，经初步轧制后U型开口缩小至完全封闭，使U型开口铝合金管成为完整的管状结构铝合金外壳；步骤S4：对步骤S3制得的铝合金外壳的缝隙进行焊接，得到完全封闭、但芯材尚未完全致密的铝合金导体杆材；步骤S5：将步骤S4制得的铝合金导体杆材进行多道次冷轧，排除粉末与粉末、粉末与铝合金外壳之间的孔隙，提高芯材的致密度，并在每一步轧制完成后进行退火处理，以调节铝合金导体杆材的内应力；通过硬度检测监控内应力残留，并与挤压前相比使硬度增加值不超过70%；步骤S6：将步骤S5制得的铝合金导体杆材进行热轧，以进一步提高其致密度，同时...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓超然，李超龙，寇亚虎，刘贤龙，张建兵，刘建东，
申请(专利权)人：东莞市三航军民融合创新研究院，
类型：发明
国别省市：