[发明专利]一种铜包铝和螺旋碳纤维复合棒材的制备方法

说明书

一种铜包铝和螺旋碳纤维复合棒材的制备方法，属于金属材料领域。其特征在于预制一根铜管和一根或多根螺旋碳纤维，将螺旋碳纤维放入铜管中，然后向铜管中浇入铝液，制备出铜包铝和螺旋碳纤维的复合棒材。本发明工艺流程简单，工艺参数稳定，尺寸精度高，效率高，灵活度高，解决了铜包铝复合材料抗拉强度低和加入直的长碳纤维断后无法进行后续拉拔加工的问题。且设备结构简单，维护方便。生产中通入氩气等惰性气体的保护，有效的防止了铜管和铝液的氧化问题，更好的保证了界面间的结合。

技术领域

本发明属于金属材料领域，特别是指一种铜包铝和螺旋碳纤维复合棒材的制备方法。

背景技术

复合材料是由二种以上材料通过一定的工艺加工而成的新型材料。由于其比强度高、比刚度大、重量轻，并且有些具有导电、导热等特殊功能，全世界非常重视复合材料工艺技术的开发与研究，成为发展高科技产业中不可忽视的关键技术之一。

铜包铝复合材料是结合了铜、铝优良的物理性能，利用复合技术使铜层和铝芯在界面上实现牢固冶金结合，其不仅具有铜的导电、导热率高、接触电阻低和外表美观等优点，还具有铝的质量轻、价格低等优点。近年来发展的很快，主要产品有铜包铝线、铜包铝母排等。广泛应用于电力传输、汽车、机械制造、石油、化工等工业领域，有良好的应用前景。用铜管制备复合导体虽然非常经济，但其抗拉强度低，当电缆承受拉伸力的时候容易产生开裂，影响电流的传输。例如铜包铝复合导体虽然大幅度的降低了导体重量、节约了成本，但是由于铝的抗拉强度比铜低，所以铜包铝复合导体的抗拉强度比铜导体低，在不少场合，由于抗拉强度不够，限制了其推广应用。

碳纤维具有高比强度，高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等优异性能，将连续长碳纤维作为增强相加入铜包铝复合材料中，不仅可以保留铜包铝复合导体良好的导电和信号传输性能，同时也解决了铜铝复合材料抗拉强度低、比模量低的缺点，使铜包铝复合导体的综合性能得到大幅的提高。但是，直的长碳纤维的断后伸长率接近零，只有百分之几，多数情况下以原始直的形态加入金属基中使用，其几乎无法后续拉拔加工，并断前无一定的伸长预警，影响其工程推广应用。

目前没有铜包铝和螺旋碳纤维复合材料制备的相关报道，相关文献(铜包铝复合材料连铸充芯工艺.铸造,2005，(4)：394～397)报道，以纯铜(含99.7％铜的T1紫铜)和纯铝(含99.7％铝的1号工业纯铝)为原料，用连铸充芯工艺：芯部金属铝的温度为780℃,外层金属铜的温度为1260～1320℃,拉速为13～24mm/min，制备出芯部直径为24mm、外层厚度为8mm的铜包铝双金属复合棒。但是由于铝的抗拉强度比铜低，导致铜包铝复合材料的抗拉伸强度比纯铜低，在大幅度架空线路中，不能实行远距离传输，影响其大范围使用。

发明内容

本发明所要解决的关键技术问题是，加入高强度、高模量的碳纤维，解决了铜包铝复合材料抗拉强度低的问题，并且碳纤维采用螺旋方式加入铜包铝中，取代了向铜包铝中加入直的长碳纤维断后伸长率接近零，无法进行后续拉拔加工的问题。

为解决上述问题，本发明提出了一种铜包铝和螺旋碳纤维复合棒材的制备方法，其特征在于：

(1)先制备出一根铜管，材质为纯铜(含99.7％铜的T1紫铜)，尺寸为：外径20～80mm，壁厚2～10mm，长度50～800mm。

(2)将原始碳纤维丝通过加捻、合股、上浆、烧氢固化成形等一系列工序制备成螺旋碳纤维，螺旋圈径为15～75mm，螺距为3～18mm。

(3)将铝(含99.7％铝的1号工业纯铝)放入坩埚(8#石墨坩埚)，并置电阻炉中，以20～50℃/分钟的升温速率将炉温升至750～860℃，保温15～30分钟。

(4)将预先制作好的螺旋碳纤维放入铜管中，然后将720～810℃的铝液，在氩气等惰性气体的保护气氛下，浇注到事先预热200～350℃的铜管中，得到铜包铝和螺旋碳纤维的复合棒材。