專利名稱：一種碳納米管復(fù)合輸電導(dǎo)線的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合輸電導(dǎo)線的制造方法，尤其涉及一種碳納米管復(fù)合輸電導(dǎo) 線的制造方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)架空線路的輸電導(dǎo)線多為鋼芯鋁絞線，在實(shí)際使用中存在諸多問(wèn)題如:1) 增強(qiáng)鋼芯大為提高了導(dǎo)線的重量，因此需要架空線路桿塔之間的檔距要短或增強(qiáng)桿塔的強(qiáng) 度，否則桿塔的負(fù)載能力不夠，故而線路成本增加；2)存在的磁損和熱效應(yīng)使線路的輸電損 耗大；3)鋼芯的線膨脹系數(shù)大，工況的變化使導(dǎo)線的弧垂變化大，使得架空線路的絕緣空間 走廊大；4)鋁線與鍍鋅鋼芯之間的電化學(xué)腐蝕降低了導(dǎo)線的使用壽命。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力工業(yè)的建設(shè)呈突飛猛進(jìn)的趨勢(shì)，對(duì)架空輸電導(dǎo)線 提出了更高的要求。為克服鋼芯鋁絞線的缺陷，目前已出現(xiàn)了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，如中國(guó)專 利CN1649718，CN201237921等，這類導(dǎo)線具有高比強(qiáng)度、耐高溫、耐疲勞、低馳度、線膨脹系 數(shù)小等特點(diǎn)，在輸電導(dǎo)線中優(yōu)勢(shì)日益突出。對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料而言，決定其性能的一個(gè)關(guān)鍵因素是長(zhǎng)徑比。碳納米管作 為一維納米材料，巨大的長(zhǎng)徑比(一般在1000 1以上)使其有望用作堅(jiān)韌的碳纖維，無(wú)論強(qiáng) 度還是韌性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于任何纖維，因此被認(rèn)為是未來(lái)的“超級(jí)纖維”，碳納米管在輸電導(dǎo)線 中的應(yīng)用，從理論角度，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線。但是，與納米相固有的物理、化學(xué) 特性相關(guān)，納米相增強(qiáng)復(fù)合材料的制備較普通復(fù)合材料的制備要復(fù)雜和困難的多。比如，目 前國(guó)內(nèi)外碳納米管/鋁基復(fù)合材料的制備主要采用粉末冶金法、熔體浸漬法、原位合成法、 高能球磨法、快速凝固法、化學(xué)鍍法、等離子噴射成型法等，這些方法都需要預(yù)先制備碳納 米管與鋁基體的粉體混合物，碳納米管在基體中的分散受到制約，且高能球磨等方法還會(huì) 造成碳納米管完美結(jié)構(gòu)的破壞，從而削弱復(fù)合材料優(yōu)異的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種碳納米管復(fù)合輸電導(dǎo)線的制造方法，所制備的單股 輸電導(dǎo)線鋁基體晶粒細(xì)小、碳納米管分散均勻且基本沿線取向，有利于發(fā)揮碳納米管復(fù)合 材料的優(yōu)點(diǎn)，改善鋁導(dǎo)線強(qiáng)韌性并提高沿線方向電導(dǎo)率，減少輸電損耗等。本發(fā)明是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其特征是將占總質(zhì)量1% 7%的多壁碳納米管粉末填充 在電工鋁塊上均勻鉆好的小孔內(nèi)，將兩塊已添加多壁碳納米管粉末的鋁塊以盲孔法向相反 的方式層疊在一起，使多壁碳納米管粉末能被包裹其中，然后通過(guò)摩擦擠壓工藝，即形成一 中間有高速旋轉(zhuǎn)摩擦頭、摩擦頭周邊有細(xì)小縫隙的金屬流動(dòng)通道，將高速旋轉(zhuǎn)的摩擦頭插 入已添加多壁碳納米管粉末的鋁塊中，在擠壓棒擠壓作用下，已添加多壁碳納米管粉末的 鋁塊擠向摩擦頭并被破碎通過(guò)金屬流動(dòng)通道，摩擦頭的旋轉(zhuǎn)速度為480-720r/min，擠壓棒 擠壓速度24-36mm/min，獲得的碳納米管/鋁基復(fù)合材料入連軋機(jī)組連續(xù)軋成桿，復(fù)合材料 進(jìn)軋溫度500°C 600°C，出軋溫度為150°C 350°C，經(jīng)過(guò)連軋后在連續(xù)、高速鋁合金拉線機(jī)上進(jìn)行拉線，拉線速度為20-30m/s，經(jīng)過(guò)13道次的拉線，拉制成所需要的碳納米管/鋁基 復(fù)合材料圓線，最后，在絞線機(jī)上進(jìn)行絞制，經(jīng)過(guò)退扭消應(yīng)力裝置，獲得單股碳納米管復(fù)合 輸電導(dǎo)線。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1)摩擦擠壓有利于碳納米管與基體金屬的復(fù)合，使其在基體中 分散均勻，可大幅度提高材料的力學(xué)和熱學(xué)性能，鋁基體經(jīng)過(guò)摩擦擠壓作用，晶粒得到細(xì) 化，也有利于其強(qiáng)度和韌性的改善，因此無(wú)需采用鋼芯或復(fù)合芯增強(qiáng)來(lái)提高導(dǎo)線強(qiáng)度，可以 大大減輕導(dǎo)線的重量，同時(shí)，可以克服鋼芯線磁損引起的熱效應(yīng)，消除鋁線與鍍鋅鋼芯之間 的雙金屬腐蝕，減少輸電損失并提高導(dǎo)線耐蝕性能；導(dǎo)線線膨脹系數(shù)小，抵抗熱變形性能 強(qiáng)，可以降低溫度對(duì)弧垂變化的影響，改善弛度特性，提高架空線路的安全性和降低線路施 工成本；2)經(jīng)過(guò)連軋和多道次的拉線，有助于碳納米管沿軸向取向，基于碳納米管超強(qiáng)的導(dǎo) 電性和復(fù)合材料電導(dǎo)率的各向異性，有利于提高導(dǎo)線沿線方向電導(dǎo)率，進(jìn)一步減少輸電損 耗；3)不同于大多數(shù)碳纖維復(fù)合芯輸電導(dǎo)線中使用碳纖維樹脂基復(fù)合芯，碳納米管直接與 鋁基體復(fù)合，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，不會(huì)存在復(fù)合芯與鋁絞線由于種種原因而松動(dòng)、打滑等現(xiàn)象。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
本發(fā)明是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，將占總質(zhì)量1%的多壁碳納米管粉末填充在電工鋁塊上均勻 鉆好的小孔內(nèi)，將兩塊已添加多壁碳納米管粉末的鋁塊以盲孔法向相反的方式層疊在一 起，使多壁碳納米管粉末能被包裹其中，然后將高速旋轉(zhuǎn)的摩擦頭插入已添加多壁碳納米 管粉末的鋁塊中，摩擦頭的旋轉(zhuǎn)速度為480r/min，擠壓棒擠壓速度24mm/min，獲得的碳納 米管/鋁基復(fù)合材料入連軋機(jī)組連續(xù)軋成桿，復(fù)合材料進(jìn)軋溫度500°C，出軋溫度為150°C， 經(jīng)過(guò)連軋后在連續(xù)、高速鋁合金拉線機(jī)上進(jìn)行拉線，拉線速度為20m/s，經(jīng)過(guò)13道次的拉 線，拉制成所需要的碳納米管/鋁基復(fù)合材料圓線，最后，在絞線機(jī)上進(jìn)行絞制，經(jīng)過(guò)退扭 消應(yīng)力裝置，獲得單股碳納米管復(fù)合輸電導(dǎo)線。結(jié)果表明，所制備的碳納米管復(fù)合輸電導(dǎo)線 抗拉強(qiáng)度平均值可達(dá)到255MPa，導(dǎo)電率平均50. 3%IACS (單線直徑4. 63mm)，相比實(shí)測(cè)的普 通電工鋁導(dǎo)線(抗拉強(qiáng)度平均215MPa，導(dǎo)電率平均49. 8%IACS)有一定的提高。實(shí)施例2
本發(fā)明是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，將占總質(zhì)量5%的多壁碳納米管粉末填充在電工鋁塊上均勻 鉆好的小孔內(nèi)，將兩塊已添加多壁碳納米管粉末的鋁塊以盲孔法向相反的方式層疊在一 起，使多壁碳納米管粉末能被包裹其中，然后將高速旋轉(zhuǎn)的摩擦頭插入已添加多壁碳納米 管粉末的鋁塊中，摩擦頭的旋轉(zhuǎn)速度為600r/min，擠壓棒擠壓速度30mm/min，獲得的碳納 米管/鋁基復(fù)合材料入連軋機(jī)組連續(xù)軋成桿，復(fù)合材料進(jìn)軋溫度550°C，出軋溫度為200°C， 經(jīng)過(guò)連軋后在連續(xù)、高速鋁合金拉線機(jī)上進(jìn)行拉線，拉線速度為25m/s，經(jīng)過(guò)13道次的拉 線，拉制成所需要的碳納米管/鋁基復(fù)合材料圓線，最后，在絞線機(jī)上進(jìn)行絞制，經(jīng)過(guò)退扭 消應(yīng)力裝置，獲得單股碳納米管復(fù)合輸電導(dǎo)線。結(jié)果表明，所制備的碳納米管復(fù)合輸電導(dǎo)線 抗拉強(qiáng)度平均值可達(dá)到321MPa，導(dǎo)電率平均51. 2%IACS，而實(shí)測(cè)的普通電工鋁導(dǎo)線抗拉強(qiáng) 度平均215MPa，導(dǎo)電率平均49. 8%IACS (單線直徑4. 63mm)。實(shí)施例3
本發(fā)明是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，將占總質(zhì)量7%的多壁碳納米管粉末填充在電工鋁塊上均勻鉆好的小孔內(nèi)，將兩塊已添加多壁碳納米管粉末的鋁塊以盲孔法向相反的方式層疊在一 起，使多壁碳納米管粉末能被包裹其中，然后將高速旋轉(zhuǎn)的摩擦頭插入已添加多壁碳納米 管粉末的鋁塊中，摩擦頭的旋轉(zhuǎn)速度為720r/min，擠壓棒擠壓速度36mm/min，獲得的碳納 米管/鋁基復(fù)合材料入連軋機(jī)組連續(xù)軋成桿，復(fù)合材料進(jìn)軋溫度600°C，出軋溫度為350°C， 經(jīng)過(guò)連軋后在連續(xù)、高速鋁合金拉線機(jī)上進(jìn)行拉線，拉線速度為30m/s，經(jīng)過(guò)13道次的拉 線，拉制成所需要的碳納米管/鋁基復(fù)合材料圓線，最后，在絞線機(jī)上進(jìn)行絞制，經(jīng)過(guò)退扭 消應(yīng)力裝置，獲得單股碳納米管復(fù)合輸電導(dǎo)線。結(jié)果表明，所制備的碳納米管復(fù)合輸電導(dǎo)線 抗拉強(qiáng)度平均值可達(dá)到346MPa，導(dǎo)電率平均51. 5%IACS，而實(shí)測(cè)的普通電工鋁導(dǎo)線抗拉強(qiáng) 度平均215MPa，導(dǎo)電率平均49. 8%IACS (單線直徑4. 63mm)。
權(quán)利要求
一種碳納米管復(fù)合輸電導(dǎo)線的制造方法，其特征是將占總質(zhì)量1%～7%的多壁碳納米管粉末填充在電工鋁塊上均勻鉆好的小孔內(nèi)，將兩塊已添加多壁碳納米管粉末的鋁塊以盲孔法向相反的方式層疊在一起，使多壁碳納米管粉末能被包裹其中，然后通過(guò)摩擦擠壓工藝，即形成一中間有高速旋轉(zhuǎn)摩擦頭、摩擦頭周邊有細(xì)小縫隙的金屬流動(dòng)通道，將高速旋轉(zhuǎn)的摩擦頭插入已添加多壁碳納米管粉末的鋁塊中，在擠壓棒擠壓作用下，已添加多壁碳納米管粉末的鋁塊擠向摩擦頭并被破碎通過(guò)金屬流動(dòng)通道，摩擦頭的旋轉(zhuǎn)速度為480 720r/min，擠壓棒擠壓速度24 36mm/min，獲得的碳納米管/鋁基復(fù)合材料入連軋機(jī)組連續(xù)軋成桿，復(fù)合材料進(jìn)軋溫度500℃～600℃，出軋溫度為150℃～350℃，經(jīng)過(guò)連軋后在連續(xù)、高速鋁合金拉線機(jī)上進(jìn)行拉線，拉線速度為20 30m/s，經(jīng)過(guò)13道次的拉線，拉制成所需要的碳納米管/鋁基復(fù)合材料圓線，最后，在絞線機(jī)上進(jìn)行絞制，經(jīng)過(guò)退扭消應(yīng)力裝置，獲得單股碳納米管復(fù)合輸電導(dǎo)線。
全文摘要
一種碳納米管復(fù)合輸電導(dǎo)線的制造方法，將占總質(zhì)量1%～7%的多壁碳納米管粉末填充在電工鋁塊上均勻鉆好的小孔內(nèi)，將兩塊已添加多壁碳納米管粉末的鋁塊以盲孔法向相反的方式層疊在一起，經(jīng)摩擦擠壓工藝制成復(fù)合材料后，進(jìn)行連軋并拉制成所需要的碳納米管/鋁基復(fù)合材料圓線，最后，在絞線機(jī)上進(jìn)行絞制，經(jīng)過(guò)退扭消應(yīng)力裝置，獲得單股碳納米管復(fù)合輸電導(dǎo)線。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1)導(dǎo)線線膨脹系數(shù)小，抵抗熱變形性能強(qiáng)，可以降低溫度對(duì)弧垂變化的影響，改善弛度特性，提高架空線路的安全性和降低線路施工成本；2)有利于提高導(dǎo)線沿線方向電導(dǎo)率，進(jìn)一步減少輸電損耗；3)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，不會(huì)存在復(fù)合芯與鋁絞線由于種種原因而松動(dòng)、打滑等現(xiàn)象。
文檔編號(hào)C22C101/10GK101948988SQ20101052183
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月28日
發(fā)明者劉鴿平, 夏春, 李波, 邢麗, 駱珊, 黃春平 申請(qǐng)人:江西省電力科學(xué)研究院;南昌航空大學(xué)