[发明专利]一种架空线缆用定向石墨烯复合铝导体杆材及其制备工艺

说明书

本发明公开了一种架空线缆用定向石墨烯复合铝导体杆材及其制备工艺，包括有铝合金外壳和芯材，铝合金外壳包覆在芯材外部形成壳芯结构，芯材采用取向石墨烯强化的铝合金复合材料制成，石墨烯为强化相，石墨烯的片层与铝合金外壳平行，形成同心取向，同时与长度方向平行。本发明通过提出一种新的石墨烯复合导体杆材结构和新的石墨烯复合铝导体杆材成分，开发一种架空缆线用定向石墨烯强化铝导体杆材制备工艺，实现了铝导体杆材轻质化，且其导电性无显著降低，与此同时显著提高铝杆材的弹性模量和抗拉强度，从而大幅度提高该导体杆材的耐用性和实用性。

技术领域

本发明涉及输电线缆制造技术领域，具体涉及一种架空线缆用石墨烯复合铝导体杆材及其制备工艺。

背景技术

架空输电线缆作为主要的电力输送载体，在电线线路中占有极为重要的地位。金属铝作为轻质金属材料，具有良好的导电性，在线缆领域的应用前景十分广阔。铝合金的导电性和强度是一对相互矛盾性能，金属铝在合金化过程中，强度会显著提高，但同时会造成导电率明显降低。为保证线缆导电性，市场所用架空线缆导体一般为工业纯铝，但受限于纯铝本身强度，现阶段所采用的线缆一般以高强度钢丝作为承力芯，承力芯的重量已经超过线缆导体本身重量。

无论是新线路建设，还是旧线路改造，都需要一种轻质量、高模量、高强度的新型线缆。伴随着社会经济的高速发展，土地资源的日趋紧张，架空输电线路新通道的审批和新建成为电网建设的突出难题。提高线缆导体本体强度，降低承力芯在线缆中所占比例是新型线缆发展路线之一。

石墨烯是迄今为止实验室发现的最坚韧、导电性和导热性最好的材料，其抗拉强度最高可达到130GPa，理论拉伸模量高达1000GPa。此外，石墨烯在受力时特有的褶皱舒展再断裂过程，因此石墨烯具有良好的韧性和塑性。受益于石墨烯上述的优点，将石墨烯加入铝合金中，有望显著实现铝合金良好力学性能与高导电性的结合。但现有技术中将石墨烯应用于制作线缆的技术还不够成熟，导致线缆的质量没有达到理想的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，提供一种可实现铝导体杆材轻质化，且导电性无显著降低，同时显著提高铝杆材的弹性模量和抗拉强度，大幅度提高导体杆材耐用性和实用性的架空线缆用定向石墨烯复合铝导体杆材及其制备工艺。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种架空线缆用定向石墨烯复合铝导体杆材，包括有铝合金外壳和芯材，铝合金外壳包覆在芯材外部形成壳芯结构，其特征在于：所述芯材采用取向石墨烯强化的铝合金复合材料制成，芯材的截面积占整个杆材总截面积的10～70％，其中石墨烯为强化相，其占芯材的重量百分比为0.1～3％，其余为铝合金；石墨烯的片层与铝合金外壳平行，形成同心取向，同时与长度方向平行。

用于制作芯材的铝合金成分如下：Fe：≤0.25％，Si：0.02-0.20％，Mn：≤0.15％，Cu：≤0.04％，RE：0.001-0.006％，Be：0.001-0.002％，Zr：0.06-0.10％，Sc：0.004-0.006％，Zn：≤0.04％，余量为铝，当然，还可能包括有一些不可避免的杂质。

所述石墨烯选用同批次生产且石墨烯厚度分布波动和粒径分布波动小于5％的石墨烯，石墨烯为单层石墨烯或多层石墨烯，其最大厚度≤10nm；石墨烯的平均片层数量为3-5层，更优为最大厚度≤7nm。

所述铝合金外壳为添加有锰和镁的铝合金，其中镁的含量为4.0～5.4％，锰的含量为0.5～1.0％；铝合金外壳的外径为3～15mm，厚度为0.3～5mm。

一种基于前述架空线缆用定向石墨烯复合铝导体杆材的制备工艺，其特征在于：采用连续产线，线速度为0.1～5m/s，按以下步骤进行，

步骤S1：用于制作芯材的复合材料采用粉末冶金方法制备，经配料、混料、真空干燥处理后获得铝/石墨烯均匀混合的粉料；