專利名稱：一種納米碳管復(fù)合鋁導線的制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁合金導線，尤其涉及一種納米碳管復(fù)合鋁導線的制備，實現(xiàn)了鋁合金導線的高強度、高導電率，適用于材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，為了滿足電力和電器工業(yè)不斷發(fā)展的需要，國家對鋁合金導線的性能提出了更高的要求，高強高導鋁合金導線以其優(yōu)越的性能越來越受到電力系統(tǒng)的重視。特別是大跨度的輸變電工程和高寒山區(qū)輸電線路，不僅要求鋁合金導線具有良好的導電性，而且要有較高的抗拉強度，以提高使用壽命，增強抗風雪冰掛能力。一般來說，降低強度可以提高導電性，而提高強度通常以犧牲導電性為代價。當前我國生產(chǎn)制造的鋁合金導線尤其是在作為高架線使用時，不能很好地滿足市場及用戶對其性能的要求，如何提高抗拉強度、合理協(xié)調(diào)導電性能是鋁合金導線生產(chǎn)中需要解決的主要問題。 國際上已有一些高強度的導電鋁合金，如美國的5系列鋁合金，其抗拉強度可達330MPa，但其導電率低于58%IACS。因此，通過微合金化方法獲得高強高導鋁合金(強度大于330MPa，導電性大于61%IACS)，目前尚難實現(xiàn)。但是，從材料復(fù)合著手來提高鋁合金導線的性能，通過納米碳管與鋁合金復(fù)合制備鋁導線，可以在大幅度提高鋁合金導線抗拉強度的同時保持較高的導電率。納米碳管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多特異的力學、電學和化學性能。納米碳管具有良好的力學性能，其抗拉強度達到50-200GPa，是鋼的100倍，密度只有鋼的1/6，是目前可制備出的具有最高比強度的材料。其軸向彈性模量在1-1. 8TPa，與金剛石的彈性模量相當，約為鋼的5倍，且擁有良好的柔韌性，可以拉伸。在鋁液中添加具有高導電率，高力學性能的納米碳管強化相，當納米碳管與鋁合金復(fù)合后，由于納米碳管長徑比大，而長度可小到微米級甚至幾百個納米，其復(fù)合鋁導線的抗拉強度可望得到大幅度提高至500MPa以上。由于納米碳管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的導電性能。納米碳管在某個特定的方向上表現(xiàn)出良好的導電性，電導率通?？蛇_銅的I萬倍。碳管軸向?qū)щ娦愿?，盡管其與鋁復(fù)合時沒有固定取向，復(fù)合后仍可以在大幅度提高抗拉強度的同時保持鋁合金導線良好的導電性能，其導電率可望保持在60%IACS以上。然而，納米碳管與鋁在復(fù)合過程中會發(fā)生界面反應(yīng)生成脆性界面產(chǎn)物Al4C3,而Al4C3的導電性很差，會大大影響復(fù)合鋁導線的導電率。所以，為了制備具有高強高導綜合性能的納米碳管復(fù)合鋁導線，必須對納米碳管進行表面處理。本發(fā)明對納米碳管表面進行鍍銅處理，銅既具有很好的導電性，且防止了脆性界面產(chǎn)物Al4C3的生成。在本發(fā)明完成之前，尚未見到與本發(fā)明制備方法相同的鋁合金導線的使用，未見到有用與本發(fā)明相同的鋁合金導線的制備方法制備的產(chǎn)品有銷售，也未見到有與本發(fā)明相同的納米碳管復(fù)合鋁導線的制備方法在文獻中有記載。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明立足于納米碳管與鋁的復(fù)合以及對加工工藝控制，提供制備一種納米碳管復(fù)合鋁導線的方法。納米碳管復(fù)合鋁導線在具有很高的抗拉強度的同時保持優(yōu)良的導電性，而且重量輕，易于運輸和安裝。實現(xiàn)上述目的的技術(shù)解決方案如下一種納米碳管復(fù)合鋁導線，按重量百分比包含如下元素鐵Fe O. 44%，銅Cu
O.13%,鍍銅納米碳管 O. 47%-1. 92%,硅 Si O. 061%_0· 063%,混合稀土 O. 036%-0. 038%,硼B(yǎng)0. 004%,，鋁Al及雜質(zhì)，所述雜質(zhì)中鈦Ti、釩V、錳Mn和鉻Cr等雜質(zhì)元素之和彡O. 01%。所述混合稀土為鑭和鈰。所述鋁合金導線電阻率為2. 7629-2. 8592 X 1(Γ8 Ω · m，即60. 3-62. 4IACS ;抗拉強 度 σ 為 502_568MPa，延伸率 δ 為 8_21%。一種納米碳管復(fù)合鋁導線的制備方法，包括以下步驟步驟一鋁合金配料按重量百分比鐵Fe O. 44%,銅 Cu O. 13%,硅 Si O. 061%-0. 063%,混合稀土
O.036%-0. 038%，硼B(yǎng) O. 004%，釩、鈦、錳、鉻四種元素及其他不可避免雜質(zhì)總量彡O. 01% ;余量為招配料；步驟二 鋁合金熔煉先將99. 7%的工業(yè)純鋁錠放入中頻感應(yīng)電爐中熔化，再加入各元素的中間合金；保溫，加Al-Re中間合金和Al-B中間合金，攪拌除雜質(zhì)；精煉、除氣；除渣，靜置30分鐘，溫度控制在750°C _800°C之間；期間對爐內(nèi)成分進行分析和調(diào)整；步驟三納米碳管復(fù)合向中頻爐內(nèi)鋁合金液體中加入重量百分比為O. 47%-1. 92%鍍銅納米碳管，攪拌，保溫，靜置3分鐘；步驟四連鑄連軋軋機進口溫度為520°C_600°C，出口溫度為310°C _360°C ；步驟五拉絲多道次小變形量拉拔，圓鋁桿經(jīng)14道拉絲得到鋁線；步驟六退火處理拉絲后退火處理，退火溫度為360°C -420°C，退火時間為30分鐘；自然冷卻得到納
米碳管復(fù)合鋁導線。采用鍍銅納米碳管，以防止納米碳管在復(fù)合時與鋁發(fā)生界面反應(yīng)生成脆性界面產(chǎn)物 Al4C3。采用中溫管式爐烘烤鍍銅納米碳管，以除去水蒸氣及表面有機物，烘烤溫度為2200C _250°C，烘烤時間為30-50分鐘。納米碳管是以氮氣輸送由爐底吹入鋁液，同時攪拌。以35ppi多孔陶瓷板過濾，將經(jīng)鍍銅納米碳管復(fù)合后的鋁液注入結(jié)晶器進行連鑄連軋。所述拉絲工藝為多道次小變形量拉拔。本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下方面
本發(fā)明通過納米碳管與鋁復(fù)合，在大幅度提高鋁合金導線強度的同時改善導電性。本發(fā)明并通過控制熔煉，連鑄連軋工藝，拉絲變形工藝，退火處理等工藝措施，以配合納米碳管與鋁的復(fù)合。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，抗拉強度達到500Mpa以上，高導電率，導電率可達到60%IACS以上，高強度高導電率鋁合金導線，可以有效增加導線輸電能力，進一步降低投資成本,而且重量輕,易于運輸和安裝。
具體實施例方式通過以下實施例對比，更好的闡述本發(fā)明所述的鋁合金導線制備方法。 實施例I :I.鋁合金配料100kg A99. 7工業(yè)純鋁錠添加2. 5kg的Al-Fe (含F(xiàn)e20%)中間合金；lkg的Al-Cu (含Cu20%)中間合金。2.鋁合金熔煉將純鋁錠加入中頻感應(yīng)電爐中熔化，待鋁液溫度升至800°C，加入2. 5kg的Al-Fe中間合金和Ikg的Al-Cu中間合金；保溫，溫度控制在750°C _800°C之間，添加O. 5Kg稀土中間合金Al-Re (含Re 9%)和O. 2Kg鋁硼中間合金Al-B (含B 2. 5%)除雜；精煉、除氣；除渣，靜置30分鐘，期間對爐內(nèi)成分進行分析與調(diào)整。3.納米碳管復(fù)合納米碳管鍍銅后采用中溫管式爐烘烤，以除去水蒸氣及表面有機物，烘烤溫度為220°C -250°C，烘烤時間為30-50分鐘。以氮氣輸送O. 5kg鍍銅納米碳管由爐底吹入鋁液中，同時攪拌；保溫，靜置3分鐘；以35ppi多孔陶瓷板過濾，將復(fù)合鋁液注入結(jié)晶器進行連鑄連軋。4.連鑄連軋將復(fù)合后溫度為750°C-800°C的鋁合金液注入結(jié)晶器進行連鑄連車L?？刂畦T坯進入軋機的溫度為510°C _600°C，軋機出口處圓鋁桿溫度為310°C _360°C。5.拉絲多道次小變形量拉拔，圓鋁桿經(jīng)14道拉絲得到鋁線。6.退火處理拉絲后對納米碳管復(fù)合鋁導線進行退火處理，退火溫度360°C，退火時間30分鐘，自然冷卻。7.產(chǎn)品成分的重量百分比為鐵Fe O. 44%、銅Cu O. 13%、鍍銅納米碳管O. 47%、硅Si O. 062%、鈦Ti、釩V、錳Mn和鉻Cr等雜質(zhì)元素之和彡O. 01%，稀土 O. 036%、硼B(yǎng)0. 004%，余量為招Al。8.產(chǎn)品導線電阻按國家標準GB/T3048. 2-2007測試，其電阻率為2. 8592 X 1(Γ8 Ω · m，相當于60. 3IACS ;抗拉強度按國家標準GB/T228-2002測試，o=502MPa，延伸率 δ =21%。實施例2 I.鋁合金配料100kg Α99. 7工業(yè)純鋁錠添加2. 5kg的Al-Fe (含F(xiàn)e20%)中間合金；lkg的Al-Cu (含Cu20%)中間合金。2.鋁合金熔煉將純鋁錠加入中頻感應(yīng)電爐中熔化，待鋁液溫度升至800°C，加入2. 5kg的Al-Fe中間合金和Ikg的Al-Cu中間合金；保溫，溫度控制在750°C _800°C之間，添加O. 5Kg稀土中間合金Al-Re (含Re 9%)和O. 2Kg鋁硼中間合金Al-B (含B 2. 5%)除雜；精煉、除氣；除渣，靜置30分鐘，期間對爐內(nèi)成分進行分析與調(diào)整。
3.納米碳管復(fù)合納米碳管鍍銅后采用中溫管式爐烘烤，以除去水蒸氣及表面有機物，烘烤溫度為220°C _250°C，烘烤時間為30-50分鐘。以氮氣輸送納米碳管由爐底吹入鋁液，向中頻爐內(nèi)鋁合金液體中加入Ikg鍍銅納米碳管，同時攪拌；保溫，靜置3分鐘；以35ppi多孔陶瓷板過濾，將復(fù)合鋁液注入結(jié)晶器進行連鑄連軋。4.連鑄連軋將復(fù)合后溫度為750°C-800°C的鋁合金液注入結(jié)晶器進行連鑄連車L。控制鑄坯進入軋機的溫度為510°C _600°C，軋機出口處圓鋁桿溫度為310°C _360°C。5.拉絲多道次小變形量拉拔，圓鋁桿經(jīng)14道拉絲得到鋁線。6.退火處理拉絲后對納米碳管復(fù)合鋁導線進行退火處理，退火溫度360°C，退火時間30分鐘，自然冷卻。7.產(chǎn)品成分的重量百分比為鐵Fe O. 44%、銅Cu O. 13%、鍍銅納米碳管O. 94%、硅Si O. 061%、鈦Ti、釩V、錳Mn和鉻Cr等雜質(zhì)元素之和彡O. 01%，稀土 O. 038%、硼B(yǎng)0. 004%，余 量為招Al。8.產(chǎn)品導線電阻按國家標準GB/T3048. 2-2007測試，其電阻率為2. 8172X 1(Γ8Ω · m，相當于61. 2IACS ;抗拉強度按國家標準GB/T228-2002測試，o=526MPa，延伸率 δ =15%。實施例3 (最佳實施例)I.鋁合金配料100kg Α99. 7工業(yè)純鋁錠添加2. 5kg的Al-Fe (含F(xiàn)e20%)中間合金；lkg的Al-Cu (含Cu20%)中間合金。2.鋁合金熔煉將純鋁錠加入中頻感應(yīng)電爐中熔化，待鋁液溫度升至800°C，加入2. 5kg的Al-Fe中間合金和Ikg的Al-Cu中間合金；保溫，溫度控制在750°C _800°C之間，添加O. 5Kg稀土中間合金Al-Re (含Re 9%)和O. 2Kg鋁硼中間合金Al-B (含B 2. 5%)除雜；精煉、除氣；除渣，靜置30分鐘，期間對爐內(nèi)成分進行分析與調(diào)整。3.納米碳管復(fù)合納米碳管鍍銅后采用中溫管式爐烘烤，以除去水蒸氣及表面有機物，烘烤溫度為220°C _250°C，烘烤時間為30-50分鐘。以氮氣輸送納米碳管由爐底吹入鋁液，向中頻爐內(nèi)鋁合金液體中加入I. 5kg鍍銅納米碳管，同時攪拌；保溫，靜置3分鐘；以35ppi多孔陶瓷板過濾，將復(fù)合鋁液注入結(jié)晶器進行連鑄連軋。4.連鑄連軋將復(fù)合后溫度為750°C-800°C的鋁合金液注入結(jié)晶器進行連鑄連車L。控制鑄坯進入軋機的溫度為510°C _600°C，軋機出口處圓鋁桿溫度為310°C _360°C。5.拉絲多道次小變形量拉拔，圓鋁桿經(jīng)14道拉絲得到鋁線。6.退火處理拉絲后對納米碳管復(fù)合鋁導線進行退火處理，退火溫度360°C，退火時間30分鐘，自然冷卻。7.產(chǎn)品成分的重量百分比為鐵Fe O. 44%、銅Cu O. 13%、鍍銅納米碳管I. 45%、硅Si O. 063%、鈦Ti、釩V、錳Mn和鉻Cr等雜質(zhì)元素之和彡O. 01%，稀土 O. 037%、硼B(yǎng)0. 004%，余量為招Al。8.產(chǎn)品導線電阻按國家標準GB/T3048. 2-2007測試，其電阻率為2. 7629 X Kr8 Ω · m，相當于62. 4IACS ;抗拉強度按國家標準GB/T228-2002測試，o=552MPa，延伸率 δ =12%。實施例4 I.鋁合金配料100kg Α99. 7工業(yè)純鋁錠添加2. 5kg的Al-Fe (含F(xiàn)e20%)中間合金；lkg的Al-Cu (含Cu20%)中間合金。2.鋁合金熔煉將純鋁錠加入中頻感應(yīng)電爐中熔化，待鋁液溫度升至800°C，加入2. 5kg的Al-Fe中間合金和Ikg的Al-Cu中間合金；保溫，溫度控制在750°C _800°C之間，添加O. 5Kg稀土中間合金Al-Re (含Re 9%)和O. 2Kg鋁硼中間合金Al-B (含B 2. 5%)除雜；精煉、除氣；除渣，靜置30分鐘，期間對爐內(nèi)成分進行分析與調(diào)整。3.納米碳管復(fù)合納米碳管鍍銅后采用中溫管式爐烘烤，以除去水蒸氣及表面有機物，烘烤溫度為220°C _250°C，烘烤時間為30-50分鐘。以氮氣輸送納米碳管由爐底吹入鋁液，向中頻爐內(nèi)鋁合金液體中加入2kg鍍銅納米碳管，同時攪拌；保溫，靜置3分鐘；以35ppi多孔陶瓷板過濾，將復(fù)合鋁液注入結(jié)晶器進行連鑄連軋。4.連鑄連軋將復(fù)合后溫度為750°C-800°C的鋁合金液注入結(jié)晶器進行連鑄連車L?？刂畦T坯進入軋機的溫度為510°C _600°C，軋機出口處圓鋁桿溫度為310°C _360°C。5.拉絲多道次小變形量拉拔，圓鋁桿經(jīng)14道拉絲得到鋁線。6.退火處理拉絲后對納米碳管復(fù)合鋁導線進行退火處理，退火溫度360°C，退火時間30分鐘，自然冷卻。7.產(chǎn)品成分的重量百分比為鐵Fe O. 44%、銅Cu O. 13%、鍍銅納米碳管I. 92%、硅Si O. 061%、鈦Ti、釩V、錳Mn和鉻Cr等雜質(zhì)元素之和≤O. 01%，稀土 O. 036%、硼B(yǎng)0. 004%，余
量為招Al。8.產(chǎn)品導線電阻按國家標準GB/T3048. 2-2007測試，其電阻率為
2.8034X Kr8 Ω · m，相當于61. 5IACS ;抗拉強度按國家標準GB/T228-2002測試，o=568MPa，延伸率 δ =8%。
權(quán)利要求
1.一種納米碳管復(fù)合鋁導線，其特征在于，所述鋁合金導線按重量百分比包含如下元素:鐵 Fe O. 44%，銅 Cu O. 13%，鍍銅納米碳管 O. 47%-1. 92%，硅 Si O. 061%_0· 063%，混合稀土O. 036%-0. 038%,硼 B O. 004%,鋁 Al 及雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米碳管復(fù)合鋁導線，其中所述混合稀土為鑭和鈰。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米碳管復(fù)合鋁導線，其中所述雜質(zhì)中鈦Ti、釩V、錳Mn和鉻Cr等雜質(zhì)元素之和< O. 01%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米碳管復(fù)合鋁導線，其特征在于，所述鋁合金導線電阻率為 2. 7629-2. 8592Χ10_8Ω · m，即 60. 3-62. 4IACS ;抗拉強度 σ 為 502_568MPa，延伸率 δ為 8-21%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求所述的一種納米碳管復(fù)合鋁導線的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一鋁合金配料 按重量百分比鐵Fe O. 44%,銅Cu O. 13%,硅Si O. 061%-0. 063%,混合稀土O. 036%-0. 038%，硼B(yǎng) O. 004%，釩、鈦、錳、鉻四種元素及其他不可避免雜質(zhì)總量彡O. 01% ;余量為招配料； 步驟二 鋁合金熔煉 先將99. 7%的工業(yè)純鋁錠放入中頻感應(yīng)電爐中熔化，再加入各元素的中間合金； 保溫,加Al-Re中間合金和Al-B中間合金，攪拌除雜質(zhì)； 精煉、除氣；除渣，靜置30分鐘，溫度控制在750°C _800°C之間； 期間對爐內(nèi)成分進行分析和調(diào)整； 步驟三納米碳管復(fù)合 向中頻爐內(nèi)鋁合金液體中加入重量百分比為O. 47%-1. 92%鍍銅納米碳管，攪拌，保溫，靜置3分鐘； 步驟四連鑄連軋 軋機進口溫度為520°C _600°C，出口溫度為310°C -360°C ； 步驟五拉絲 將圓鋁桿經(jīng)14道拉絲得到鋁線； 步驟六退火處理 拉絲后退火處理，退火溫度為360°C _420°C，退火時間為30分鐘； 自然冷卻得到納米碳管復(fù)合鋁導線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述制備方法，其中在所述步驟三中， 采用鍍銅納米碳管，以防止納米碳管在復(fù)合時與鋁發(fā)生界面反應(yīng)生成脆性界面產(chǎn)物Al4C3 ； 所述鍍銅納米碳管采用中溫管式爐烘烤，以除去水蒸氣及表面有機物，烘烤溫度為2200C _250°C，烘烤時間為30-50分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述制備方法，其中在所述步驟三中，所述鍍銅納米碳管是以氮氣輸送由爐底吹入鋁液，同時攪拌。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述制備方法，其中在所述步驟四中，以35ppi多孔陶瓷板過濾，將經(jīng)鍍銅納米碳管復(fù)合后的鋁液注入結(jié)晶器進行連鑄連軋。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述制備方法，其中在所述步驟五中，所述拉絲工藝為多道次小變形量拉拔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米碳管復(fù)合鋁導線制備方法。它是按照下列步驟1.選用不同重量百分比的鐵，銅，硅，混合稀土，硼，釩、鈦、錳、鉻四種元素及其它雜質(zhì)總量不超過0.01%，余量為鋁配料；2.將99.7%的工業(yè)純鋁錠放入中頻感應(yīng)電爐中熔化，加入各合金化的添加元素，攪拌、除雜、精煉、除氣、除渣和爐內(nèi)成分分析調(diào)整；3.在鋁合金液體中加入0.5%-2.0%納米碳管，攪拌，保溫，靜置；4.連鑄連軋；5.多道次小變形量拉絲；6.退火處理，冷卻得到納米碳管復(fù)合鋁導線。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以在加入鍍銅納米碳管的條件下，控制變形工藝，大幅度提高鋁導線強度的同時保持其導電性。
文檔編號C22F1/057GK102864345SQ20121032587
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月6日
發(fā)明者郭建明, 劉士斌, 周俊民, 於國良, 侯科峰, 吳振江 申請人:安徽和電普華電氣有限公司