[發(fā)明專利]一種定向排列碳納米管增強鋁基復合線材的制備方法

有效

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• 申請日: 2019-05-23
• 公開（公告）號: CN110129606B
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發(fā)明（設計）人: 李才巨;李雪;高鵬;易健宏;李寧宇
• 申請（專利權(quán)）人: 昆明理工大學
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C1/10;C22C21/00;C22F1/04;B22F3/20;H01B1/02;H01B13/00
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本發(fā)明公開一種定向排列碳納米管增強鋁基復合線材的制備方法，屬于復合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明所述方法為先將碳納米管和純鋁粉末混合均勻，用連續(xù)擠壓設備進行擠壓，得到碳納米管增強鋁基復合材料圓桿；然后，將得到復合圓桿再進行若干道次反復擠壓；此后，將反復擠壓的復合圓桿進行若干道次的拉拔加工，得到橫截面為圓形的碳納米管增強鋁基復合材料線材；最后，將拉拔線材進行退火處理，得到成品線材。本發(fā)明通過混合粉體制備、連續(xù)擠壓、拉拔和退火等一系列工藝，使碳納米管在鋁基復合材料中均勻定向排列，最終制備出具有良好的力學、導電和導熱性能的碳納米管增強鋁基復合線材。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種定向排列碳納米管（CNTs）增強鋁基復合線材的制備方法，屬于復合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著輸電技術(shù)的提高和輸電線路的發(fā)展，越來越多的大跨越輸電線路需要使用既能輸送大電流，又能承受大張力的導線。鋁導線在這方面愈來愈顯示其優(yōu)越性，在長距離、大跨越、超高壓輸電中應用廣泛。鋁為面心立方結(jié)構(gòu)，具有良好的塑形，易于加工；鋁的導電性好，電導率為退火銅的60%左右；鋁表面會形成一層致密的氧化鋁薄膜，阻止其繼續(xù)被氧化，具有良好的抗氧化和耐蝕性；此外，鋁質(zhì)量輕，價格較銅便宜。因此，鋁導線被視為最具有前景的銅導線的替代材料。目前，現(xiàn)有的鋁合金導線材料具有的力學性能和電氣性能匹配性低，因此亟需開發(fā)一種強度高、導電性好的鋁導線電纜。

碳納米管增強鋁基復合材料有望獲得輕質(zhì)、高強、高導優(yōu)異綜合性能，其制備方法主要包括粉末冶金法、鑄造法、浸滲法、原位合成法等。不同的制備方法對碳納米管結(jié)構(gòu)的損壞不同，碳納米管與基體鋁反應程度不同，碳納米管在基體中分散程度和分布情況也不同。例如采用鑄造法，由于碳納米管和鋁基體密度差異大、界面不濕潤，碳納米管很難在基體中均勻分散，此外在制備過程中還有可能發(fā)生高溫界面反應，生成大量碳化鋁（Al₄C₃）脆生相反而降低材料性能。傳統(tǒng)粉末冶金法可以將碳納米管均勻分散至鋁基體中，但該方法存在生產(chǎn)不連續(xù)性、導線長度受到限制、制備工藝繁瑣復雜等不足，影響生產(chǎn)效率和復合材料的規(guī)模化使用。諸如攪拌摩擦法、原位生長復合法、噴涂法、分子級共混法等其它創(chuàng)新方法也可以將碳納米管分散至鋁基體中，但這些方法基本還處于實驗室探索階段，且工藝繁雜，很難規(guī)模化應用。需要格外注意的是，現(xiàn)有的碳納米管增強鋁基復合材料制備方法基本無法實現(xiàn)碳納米管的定向排列，也就無法充分發(fā)揮碳納米管優(yōu)異的力學、電學和熱學性能優(yōu)勢，其強化效率大打折扣。為進一步提高碳納米管中的強化效率和復合材料的綜合性能，減少工藝流程和降低生產(chǎn)成本，促進其規(guī)模化生產(chǎn)與應用，需進一步創(chuàng)新碳納米管增強鋁基復合材料制備方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種定向排列碳納米管增強鋁基復合線材的制備方法；該方法將粉末冶金、連續(xù)擠壓、拉拔和退火等工藝結(jié)合起來，實現(xiàn)碳納米管在鋁基體中的定向排列，具體包括以下步驟：

（1）采用機械球磨法制備碳納米管和純鋁粉末的混合粉體，備用。

（2）將步驟（1）得到的碳納米管和純鋁混合粉體進行連續(xù)擠壓得到φ8 - 12 mm碳納米管增強純鋁圓桿。

（3）將步驟（2）得到的碳納米管增強純鋁圓桿進行1~5道次連續(xù)重復擠壓得到φ4- 8 mm的復合圓桿，并使碳納米管進一步均勻分散和定向排列。

（4）將步驟（3）所得圓桿采用拉拔機進行多道次拉拔得到φ1 - 3 mm復合線材，進一步促進碳納米管的均勻分散和定向排列。

（5）將步驟（4）所得線材進行退火處理得到定向排列碳納米管增強鋁基復合材料線材。

優(yōu)選的，本發(fā)明所述純鋁粉末平均直徑為10-40μm，碳納米管直徑和長度分別為10-30nm和5-30μm。

優(yōu)選的，本發(fā)明所述碳納米管和純鋁混合粉體中碳納米管的質(zhì)量百分比為1-3wt%。