專利名稱：一種碳納米管復合輸電導線的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種復合輸電導線的制造方法，尤其涉及一種碳納米管復合輸電導 線的制造方法。
背景技術：
傳統架空線路的輸電導線多為鋼芯鋁絞線，在實際使用中存在諸多問題如:1) 增強鋼芯大為提高了導線的重量，因此需要架空線路桿塔之間的檔距要短或增強桿塔的強 度，否則桿塔的負載能力不夠，故而線路成本增加；2)存在的磁損和熱效應使線路的輸電損 耗大；3)鋼芯的線膨脹系數大，工況的變化使導線的弧垂變化大，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腐蝕降低了導線的使用壽命。隨著我國經濟的高速發展，電力工業的建設呈突飛猛進的趨勢，對架空輸電導線 提出了更高的要求。為克服鋼芯鋁絞線的缺陷，目前已出現了碳纖維復合芯導線，如中國專 利CN1649718，CN201237921等，這類導線具有高比強度、耐高溫、耐疲勞、低馳度、線膨脹系 數小等特點，在輸電導線中優勢日益突出。對于纖維增強復合材料而言，決定其性能的一個關鍵因素是長徑比。碳納米管作 為一維納米材料，巨大的長徑比(一般在1000 1以上)使其有望用作堅韌的碳纖維，無論強 度還是韌性都遠遠優于任何纖維，因此被認為是未來的“超級纖維”，碳納米管在輸電導線 中的應用，從理論角度，性能遠遠超過碳纖維復合芯導線。但是，與納米相固有的物理、化學 特性相關，納米相增強復合材料的制備較普通復合材料的制備要復雜和困難的多。比如，目 前國內外碳納米管/鋁基復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、化學鍍法、等離子噴射成型法等，這些方法都需要預先制備碳納 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 造成碳納米管完美結構的破壞，從而削弱復合材料優異的性能。
發明內容
本發明的目的在于提供一種碳納米管復合輸電導線的制造方法，所制備的單股 輸電導線鋁基體晶粒細小、碳納米管分散均勻且基本沿線取向，有利于發揮碳納米管復合 材料的優點，改善鋁導線強韌性并提高沿線方向電導率，減少輸電損耗等。本發明是這樣來實現的，其特征是將占總質量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，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，然后通過摩擦擠壓工藝，即形成一 中間有高速旋轉摩擦頭、摩擦頭周邊有細小縫隙的金屬流動通道，將高速旋轉的摩擦頭插 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金屬流動通道，摩擦頭的旋轉速度為480-720r/min，擠壓棒 擠壓速度24-36mm/min，獲得的碳納米管/鋁基復合材料入連軋機組連續軋成桿，復合材料 進軋溫度500°C 600°C，出軋溫度為150°C 350°C，經過連軋后在連續、高速鋁合金拉線機上進行拉線，拉線速度為20-30m/s，經過13道次的拉線，拉制成所需要的碳納米管/鋁基 復合材料圓線，最后，在絞線機上進行絞制，經過退扭消應力裝置，獲得單股碳納米管復合 輸電導線。本發明的優點是1)摩擦擠壓有利于碳納米管與基體金屬的復合，使其在基體中 分散均勻，可大幅度提高材料的力學和熱學性能，鋁基體經過摩擦擠壓作用，晶粒得到細 化，也有利于其強度和韌性的改善，因此無需采用鋼芯或復合芯增強來提高導線強度，可以 大大減輕導線的重量，同時，可以克服鋼芯線磁損引起的熱效應，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線耐蝕性能；導線線膨脹系數小，抵抗熱變形性能 強，可以降低溫度對弧垂變化的影響，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)經過連軋和多道次的拉線，有助于碳納米管沿軸向取向，基于碳納米管超強的導 電性和復合材料電導率的各向異性，有利于提高導線沿線方向電導率，進一步減少輸電損 耗；3)不同于大多數碳纖維復合芯輸電導線中使用碳纖維樹脂基復合芯，碳納米管直接與 鋁基體復合，工藝相對簡單，不會存在復合芯與鋁絞線由于種種原因而松動、打滑等現象。
具體實施例方式實施例1
本發明是這樣來實現的，將占總質量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，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，摩擦頭的旋轉速度為480r/min，擠壓棒擠壓速度24mm/min，獲得的碳納 米管/鋁基復合材料入連軋機組連續軋成桿，復合材料進軋溫度500°C，出軋溫度為150°C， 經過連軋后在連續、高速鋁合金拉線機上進行拉線，拉線速度為20m/s，經過13道次的拉 線，拉制成所需要的碳納米管/鋁基復合材料圓線，最后，在絞線機上進行絞制，經過退扭 消應力裝置，獲得單股碳納米管復合輸電導線。結果表明，所制備的碳納米管復合輸電導線 抗拉強度平均值可達到255MPa，導電率平均50. 3%IACS (單線直徑4. 63mm)，相比實測的普 通電工鋁導線(抗拉強度平均215MPa，導電率平均49. 8%IACS)有一定的提高。實施例2
本發明是這樣來實現的，將占總質量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，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，摩擦頭的旋轉速度為600r/min，擠壓棒擠壓速度30mm/min，獲得的碳納 米管/鋁基復合材料入連軋機組連續軋成桿，復合材料進軋溫度550°C，出軋溫度為200°C， 經過連軋后在連續、高速鋁合金拉線機上進行拉線，拉線速度為25m/s，經過13道次的拉 線，拉制成所需要的碳納米管/鋁基復合材料圓線，最后，在絞線機上進行絞制，經過退扭 消應力裝置，獲得單股碳納米管復合輸電導線。結果表明，所制備的碳納米管復合輸電導線 抗拉強度平均值可達到321MPa，導電率平均51. 2%IACS，而實測的普通電工鋁導線抗拉強 度平均215MPa，導電率平均49. 8%IACS (單線直徑4. 63mm)。實施例3
本發明是這樣來實現的，將占總質量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，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，摩擦頭的旋轉速度為720r/min，擠壓棒擠壓速度36mm/min，獲得的碳納 米管/鋁基復合材料入連軋機組連續軋成桿，復合材料進軋溫度600°C，出軋溫度為350°C， 經過連軋后在連續、高速鋁合金拉線機上進行拉線，拉線速度為30m/s，經過13道次的拉 線，拉制成所需要的碳納米管/鋁基復合材料圓線，最后，在絞線機上進行絞制，經過退扭 消應力裝置，獲得單股碳納米管復合輸電導線。結果表明，所制備的碳納米管復合輸電導線 抗拉強度平均值可達到346MPa，導電率平均51. 5%IACS，而實測的普通電工鋁導線抗拉強 度平均215MPa，導電率平均49. 8%IACS (單線直徑4. 63mm)。
權利要求
一種碳納米管復合輸電導線的制造方法，其特征是將占總質量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，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，然后通過摩擦擠壓工藝，即形成一中間有高速旋轉摩擦頭、摩擦頭周邊有細小縫隙的金屬流動通道，將高速旋轉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金屬流動通道，摩擦頭的旋轉速度為480 720r/min，擠壓棒擠壓速度24 36mm/min，獲得的碳納米管/鋁基復合材料入連軋機組連續軋成桿，復合材料進軋溫度500℃～600℃，出軋溫度為150℃～350℃，經過連軋后在連續、高速鋁合金拉線機上進行拉線，拉線速度為20 30m/s，經過13道次的拉線，拉制成所需要的碳納米管/鋁基復合材料圓線，最后，在絞線機上進行絞制，經過退扭消應力裝置，獲得單股碳納米管復合輸電導線。
全文摘要
一種碳納米管復合輸電導線的制造方法，將占總質量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，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，經摩擦擠壓工藝制成復合材料后，進行連軋并拉制成所需要的碳納米管/鋁基復合材料圓線，最后，在絞線機上進行絞制，經過退扭消應力裝置，獲得單股碳納米管復合輸電導線。本發明的優點是1)導線線膨脹系數小，抵抗熱變形性能強，可以降低溫度對弧垂變化的影響，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)有利于提高導線沿線方向電導率，進一步減少輸電損耗；3)工藝相對簡單，不會存在復合芯與鋁絞線由于種種原因而松動、打滑等現象。
文檔編號C22C101/10GK101948988SQ20101052183
公開日2011年1月19日 申請日期2010年10月28日 優先權日2010年10月28日
發明者劉鴿平, 夏春, 李波, 邢麗, 駱珊, 黃春平 申請人:江西省電力科學研究院;南昌航空大學