[发明专利]接续金具用高强高导高耐热铝基复合材料及制备方法

说明书

本发明提供了一种接续金具用高强高导高耐热铝基复合材料及制备方法，采用铝锆合金基础体系设计，石墨烯表面生长纳米铜作为增强相，采用惰性气体将粉末吹入铝熔体，获得石墨烯均匀分布的铸造组织。石墨烯具有独特的二维褶皱表面，表面生长铜纳米质点形成石墨烯@铜，增加了石墨烯和铝熔体的润湿性，作为非均匀形核的质点细化晶粒，同时具有良好的化学稳定性，和Al₃Zr相共同提升了铝基复合材料的热稳定性。本发明解决了限制1系合金接续金具应用过程中的强度和耐热性的不足难题，铸造法生产的铝基复合材料保持导电率高于61％IACS，强度提升30％以上，耐热性提高20‑40℃以上。

技术领域

本发明涉及纳米相增强的铝基复合材料，具体涉及一种接续金具用高强高导高耐热铝基复合材料及制备方法。

背景技术

随着电压等级的提高和各类新型导线的应用，耐张接续金具异常温升已成为影响线路运行的重大安全隐患。据统计，2008年北京地区16条线路的耐张线夹温度在43-150℃之间,高于相邻导线温度19-126℃，其中3％超过120℃，最高达到150℃，大大超出《架空送电线路运行规程》(DLT/741-2010)中“接续金具与耐张线夹的运行温度不得高于相邻导线温度10℃”的规定，因导线耐张接续金具异常温升失效脱落引发的事故在国内屡见不鲜，研究高性能耐张接续金具用材料，并在输电线路中推广应用势在必行。压接握力不足和长期运行以后压接区松弛致使接续电阻的升高，是异常温升的主要原因。目前，耐张接续金具引流部件通常采用电工纯铝型材制造，在大规格线路运行中压接区难免松弛过早，进而引起温升。又因其耐热稳定性差，随温升幅度的增大，引流部件导电率、力学性能明显下降，蠕变松弛。如此恶性循环，直至异常温升，最终失效脱落，导致事故。而对于高电压等级、尤其是超高压、特高压等线路，会造成大面积的停电，后果严重，亟待解决。研究高性能金具材料用于耐张接续金具替代其中的纯铝材料，使耐张接续金具引流部件用材料同时具有高强度、高导电性、高热稳定性及高散热性，提高耐张接续金具散热性能、导通性能和抗松弛性能，是解决导线接续部位异常温升，保证导线压接握力长期稳定，提高线路运行安全可靠性的有效途径和关键方法，对提高输变电线路安全稳定性和降低运维成本具有重要的应用价值。

2004年英国科学家首次制备出了由碳原子以sp²杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体—石墨烯,其厚度只有0.3354nm，是目前世界上发现最薄的材料。石墨烯具有特殊的单原子层结构和极其优异的物理性质：与碳纳米管相当的杨氏模量1100GPa和断裂强度125GPa，且热导率约5000J/(m·K·s)、低热膨胀系数、零载流子浓度极限下的最小量子电导率等特性。低密度、且具有优异力学和热物理性能的石墨烯作为增强相添加到铝合金中，可获得轻质、高强度、高导电、高导热和高热稳定性的复合材料。

目前关于石墨烯增强金属基复合材料的报道不多，材料制备处于初步探索阶段。对于石墨烯增强的金属基复合材料，现有专利1(公开号104032154A；103938011A)采用放电等离子烧结制备石墨烯/金属基复合体材料。公开号102329976A“石墨烯增强金属基复合材料的制备方法”，将氧化石墨烯分散在片状金属表面，然后还原得到石墨烯/金属复合粉末，采用粉末冶金工艺进行致密化处理，制备石墨烯增强金属基复合材料。公开号CN110331316公开了一种高强耐热铝基复合材料导体材料及制备方法，采用将石墨烯和铝粉球磨混粉，石墨烯表面获得非晶氧化铝，采用粉末冶金烧结成型法制备复合材料。公开号CN105385871A通过将表面包裹金属离子前驱物的纳米碳分散到铝粉中，热处理烧结获得混合粉末，采用常规的粉末冶金工艺生产耐热铝基复合材料。公开号CN108396168A将石墨烯和铝粉混合、装罐、进行半固态挤压制备致密度98.5％的复合材料。目前，采用石墨烯铝基复合材料的制备方法主要以粉末冶金为主，也出现了包套挤压和半固态挤压等方法，模具成本较高，生产率低，难以批量和连续工业化生产。CN110295298A采用水热法合成氧化铝@石墨烯，化学反应过程复杂，氧化铝颗粒尺寸和粒径控制复杂，且容易带入杂质到铝液中降低导电性，不适合制备1系导体材料。

发明内容