本发明公开了一种新型接地网材料专用铝热焊粉的制备方法，属于接地材料制备技术领域。
背景技术：
铝热焊是一种简单、高效率、高质量的金属连接工艺，利用金属与化合物的化学反应热作为热源，通过被还原熔融金属直接或间接加热工作，在特制的模具型腔中形成符合工程需求的熔焊接头，可实现铁与铁连接、钢与钢连接、钢与铁、铜与铜、铜与钢的连接。铝热焊是电力系统接地网最常用的连接方法之一，相比电焊、钎焊、压接等其它连接工艺，铝热焊具有高效率、高质量、熔接点截流能力强、永久分子结合等诸多优点，广泛用于发电厂、变电站、输电线路杆塔、通讯基站、机场、铁路、城铁与地铁、各种高层建筑、微波中继站、网络机房、石油化工厂、储油库等场所防雷接地、防静电接地、保护接地、工作接地等接地装置的连接。
铝热焊接头属于一种铸造组织，基于铸造冶金学原理及特点，是通过氧化铜与铝的化学反应（放热反应）产生液态高温铜液和氧化铝的残渣，并利用放热反应所产生的高温来实现高性能电气熔接，已广泛应用于接地网装置连接。但现有铝热焊粉焊接新型接地网材料时容易产生气孔，导致焊接接头机械强度较差，接地网焊接质量难以得到可靠、有效的保证，存在较大安全隐患。这一问题严重制约了接地材料的推广应用。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：针对传统铝热焊粉使用后，在焊接接头极易产生气孔，导致焊接接头机械强度较差，存在较大安全隐患的问题，提供了一种以自制酸浸炭化料、萤石与纳米铝粉、氧化铜及氧化亚铜复配制得新型接地网材料专用铝热焊粉的方法，本发明首先将硅藻土球磨后与沼液混合发酵，使沼液中的有机质充分渗透进入硅藻土孔隙结构中，经蒸煮干燥后，于无氧条件下，使有机质炭化，再利用炭化有机质与硅藻土中二氧化硅成分反应形成碳化硅，再利用盐酸浸泡去除酸溶性无机杂质，制得酸浸炭化料，再将纳米铝粉、氧化铜粉及氧化亚铜粉分散于乙醇溶液中，加入硅烷偶联剂提高其分散性能，最后与萤石、酸浸炭化料等球磨混合后真空干燥，即得新型接地网材料专用铝热焊粉。本发明利用酸浸炭化料中的碳化硅以及炭化有机质为除氧剂，在焊接过程中与铜液中氧气反应放热，有效减少焊接接头产生的气泡，解决了传统铝热焊粉使用后因气孔缺陷导致的机械强度较差的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
（1）称取300～500g硅藻土，倒入球磨罐中，按球料质量比为10：1～20：1加入氧化锆球磨珠，球磨2～4h后，过180～200目筛，得硅藻土粉末，再将所得硅藻土粉末倒入盛有1000～1200ml沼液的发酵罐中，于温度为35～37℃，转速为300～500r/min条件下，恒温密闭发酵8～10h，待发酵结束，将发酵罐中物料过滤，收集滤饼，并将所得滤饼用纱布包裹后置于蒸锅中，于温度为90～95℃条件下蒸煮30～45min后，将纱布取出，收集纱布中包裹的滤饼，并置于烘箱中，于温度为105～110℃条件下干燥至恒重，得预处理硅藻土；
（2）称取180～200g上述所得预处理硅藻土，置于炭化炉中，以10～15ml/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，以15～20℃/min速率程序升温至550～600℃，保温炭化60～90min后，继续以10～15℃/min速率程序升温至1100～1200℃，保温反应1～3h，随炉冷却至室温，出料得炭化料；
（3）将上述所得炭化料倒入盛有800～1200ml质量分数为10～15%盐酸的锥形瓶中，再将锥形瓶移至超声振荡仪，于超声频率为40～45khz，温度为45～50℃条件下，超声处理60～90min，待超声处理结束，将锥形瓶中物料过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为105～110℃条件下干燥至恒重，得酸浸炭化料，备用；
（4）依次称取120～150g纳米铝粉，200～220g纳米氧化铜粉，400～420g纳米氧化亚铜粉，加入盛有1500～1800ml质量分数为40～50%乙醇溶液的烧杯中，再加入10～12g硅烷偶联剂kh-570，再将烧杯置于超声振荡仪，于频率为40～45khz条件下，超声处理45～60min，得混合浆料；
（5）按重量份数计，在球磨罐中依次加入80～100份上述所得混合浆料，6～8份步骤（3）备用酸浸炭化料，0.3～0.5份萤石，2～4份硬脂酸，按球料质量比为10：1～20：1加入氧化锆球磨珠，球磨混合80～120min，再将球磨罐中物料转入真空干燥箱，于温度为85～95℃条件下，干燥10～15h，出料，即得新型接地网材料专用铝热焊粉。
本发明的应用方法是：首先将两根接地工件的待焊接端头固定在铸型模具内，按质量比70：1～90：1，将本发明制得的新型接地网材料专用铝热焊粉与氯酸钾混合均匀后倒入铸型模具中的焊粉填充区内，并盖好模具，随后用点火枪点燃焊粉进行热熔反应10～20s，反应结束后，静置模具冷却20～30s，再用铁钳撤除模具，最后待全部焊接工序完成后，再对焊接后的接地材料进行绝缘处理即可。经检测，本发明制得的新型接地网材料专用铝热焊粉焊接效果好，焊接后的接头质量可靠，接头气泡较少，焊接接头硬度可达hrc60～65，抗拉强度达350～380mpa，接头电阻值为110～113μω，熔点为1100～1150℃。
本发明的有益效果是：
（1）本发明有效解决了传统铝热焊粉焊接容易产生气孔的问题，制得的铝热焊粉具有较好的焊接效果，并能改善焊接接头的机械强度，有效提高了接地网材料的使用寿命；
（2）本发明制备工艺简便，接头外观光滑、圆润、饱满，焊接接头质量可靠并且降低了接地网材料的连接成本，有利于我国电力工程接地系统的发展。
具体实施方式
首先称取300～500g硅藻土，倒入球磨罐中，按球料质量比为10：1～20：1加入氧化锆球磨珠，球磨2～4h后，过180～200目筛，得硅藻土粉末，再将所得硅藻土粉末倒入盛有1000～1200ml沼液的发酵罐中，于温度为35～37℃，转速为300～500r/min条件下，恒温密闭发酵8～10h，待发酵结束，将发酵罐中物料过滤，收集滤饼，并将所得滤饼用纱布包裹后置于蒸锅中，于温度为90～95℃条件下蒸煮30～45min后，将纱布取出，收集纱布中包裹的滤饼，并置于烘箱中，于温度为105～110℃条件下干燥至恒重，得预处理硅藻土；随后称取180～200g上述所得预处理硅藻土，置于炭化炉中，以10～15ml/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，以15～20℃/min速率程序升温至550～600℃，保温炭化60～90min后，继续以10～15℃/min速率程序升温至1100～1200℃，保温反应1～3h，随炉冷却至室温，出料得炭化料；再将上述所得炭化料倒入盛有800～1200ml质量分数为10～15%盐酸的锥形瓶中，再将锥形瓶移至超声振荡仪，于超声频率为40～45khz，温度为45～50℃条件下，超声处理60～90min，待超声处理结束，将锥形瓶中物料过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为105～110℃条件下干燥至恒重，得酸浸炭化料，备用；再依次称取120～150g纳米铝粉，200～220g纳米氧化铜粉，400～420g纳米氧化亚铜粉，加入盛有1500～1800ml质量分数为40～50%乙醇溶液的烧杯中，再加入10～12g硅烷偶联剂kh-570，再将烧杯置于超声振荡仪，于频率为40～45khz条件下，超声处理45～60min，得混合浆料；最后按重量份数计，在球磨罐中依次加入80～100份上述所得混合浆料，6～8份上述备用酸浸炭化料，0.3～0.5份萤石，2～4份硬脂酸，按球料质量比为10：1～20：1加入氧化锆球磨珠，球磨混合80～120min，再将球磨罐中物料转入真空干燥箱，于温度为85～95℃条件下，干燥10～15h，出料，即得新型接地网材料专用铝热焊粉。
实例1
首先称取300g硅藻土，倒入球磨罐中，按球料质量比为10：1加入氧化锆球磨珠，球磨2h后，过180目筛，得硅藻土粉末，再将所得硅藻土粉末倒入盛有1000ml沼液的发酵罐中，于温度为35℃，转速为300r/min条件下，恒温密闭发酵8h，待发酵结束，将发酵罐中物料过滤，收集滤饼，并将所得滤饼用纱布包裹后置于蒸锅中，于温度为90℃条件下蒸煮30min后，将纱布取出，收集纱布中包裹的滤饼，并置于烘箱中，于温度为105℃条件下干燥至恒重，得预处理硅藻土；随后称取180g上述所得预处理硅藻土，置于炭化炉中，以10ml/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，以15℃/min速率程序升温至550℃，保温炭化60min后，继续以10℃/min速率程序升温至1100℃，保温反应1h，随炉冷却至室温，出料得炭化料；再将上述所得炭化料倒入盛有800ml质量分数为10%盐酸的锥形瓶中，再将锥形瓶移至超声振荡仪，于超声频率为40khz，温度为45℃条件下，超声处理60min，待超声处理结束，将锥形瓶中物料过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为105℃条件下干燥至恒重，得酸浸炭化料，备用；再依次称取120g纳米铝粉，200g纳米氧化铜粉，400g纳米氧化亚铜粉，加入盛有1500ml质量分数为40%乙醇溶液的烧杯中，再加入10g硅烷偶联剂kh-570，再将烧杯置于超声振荡仪，于频率为40khz条件下，超声处理45min，得混合浆料；最后按重量份数计，在球磨罐中依次加入80份上述所得混合浆料，6份上述备用酸浸炭化料，0.3份萤石，2份硬脂酸，按球料质量比为10：1加入氧化锆球磨珠，球磨混合80min，再将球磨罐中物料转入真空干燥箱，于温度为85℃条件下，干燥10h，出料，即得新型接地网材料专用铝热焊粉。
本实例操作简便，使用时，首先将两根接地工件的待焊接端头固定在铸型模具内，按质量比70：1，将本发明制得的新型接地网材料专用铝热焊粉与氯酸钾混合均匀后倒入铸型模具中的焊粉填充区内，并盖好模具，随后用点火枪点燃焊粉进行热熔反应10s，反应结束后，静置模具冷却20s，再用铁钳撤除模具，最后待全部焊接工序完成后，再对焊接后的接地材料进行绝缘处理即可。经检测，本发明制得的新型接地网材料专用铝热焊粉焊接效果好，焊接后的接头质量可靠，接头气泡较少，焊接接头硬度可达hrc60，抗拉强度达350mpa，接头电阻值为110μω，熔点为1100℃。
实例2
首先称取400g硅藻土，倒入球磨罐中，按球料质量比为15：1加入氧化锆球磨珠，球磨3h后，过190目筛，得硅藻土粉末，再将所得硅藻土粉末倒入盛有1100ml沼液的发酵罐中，于温度为36℃，转速为400r/min条件下，恒温密闭发酵9h，待发酵结束，将发酵罐中物料过滤，收集滤饼，并将所得滤饼用纱布包裹后置于蒸锅中，于温度为93℃条件下蒸煮37min后，将纱布取出，收集纱布中包裹的滤饼，并置于烘箱中，于温度为108℃条件下干燥至恒重，得预处理硅藻土；随后称取190g上述所得预处理硅藻土，置于炭化炉中，以13ml/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，以18℃/min速率程序升温至575℃，保温炭化75min后，继续以13℃/min速率程序升温至1150℃，保温反应2h，随炉冷却至室温，出料得炭化料；再将上述所得炭化料倒入盛有1000ml质量分数为13%盐酸的锥形瓶中，再将锥形瓶移至超声振荡仪，于超声频率为43khz，温度为48℃条件下，超声处理75min，待超声处理结束，将锥形瓶中物料过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为108℃条件下干燥至恒重，得酸浸炭化料，备用；再依次称取135g纳米铝粉，210g纳米氧化铜粉，410g纳米氧化亚铜粉，加入盛有1650ml质量分数为45%乙醇溶液的烧杯中，再加入11g硅烷偶联剂kh-570，再将烧杯置于超声振荡仪，于频率为43khz条件下，超声处理53min，得混合浆料；最后按重量份数计，在球磨罐中依次加入90份上述所得混合浆料，7份上述备用酸浸炭化料，0.4份萤石，3份硬脂酸，按球料质量比为15：1加入氧化锆球磨珠，球磨混合100min，再将球磨罐中物料转入真空干燥箱，于温度为90℃条件下，干燥13h，出料，即得新型接地网材料专用铝热焊粉。
本实例操作简便，使用时，首先将两根接地工件的待焊接端头固定在铸型模具内，按质量比80：1，将本发明制得的新型接地网材料专用铝热焊粉与氯酸钾混合均匀后倒入铸型模具中的焊粉填充区内，并盖好模具，随后用点火枪点燃焊粉进行热熔反应15s，反应结束后，静置模具冷却25s，再用铁钳撤除模具，最后待全部焊接工序完成后，再对焊接后的接地材料进行绝缘处理即可。经检测，本发明制得的新型接地网材料专用铝热焊粉焊接效果好，焊接后的接头质量可靠，接头气泡较少，焊接接头硬度可达hrc63，抗拉强度达365mpa，接头电阻值为112μω，熔点为1125℃。
实例3
首先称取500g硅藻土，倒入球磨罐中，按球料质量比为20：1加入氧化锆球磨珠，球磨4h后，过200目筛，得硅藻土粉末，再将所得硅藻土粉末倒入盛有1200ml沼液的发酵罐中，于温度为37℃，转速为500r/min条件下，恒温密闭发酵10h，待发酵结束，将发酵罐中物料过滤，收集滤饼，并将所得滤饼用纱布包裹后置于蒸锅中，于温度为95℃条件下蒸煮45min后，将纱布取出，收集纱布中包裹的滤饼，并置于烘箱中，于温度为110℃条件下干燥至恒重，得预处理硅藻土；随后称取200g上述所得预处理硅藻土，置于炭化炉中，以15ml/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，以20℃/min速率程序升温至600℃，保温炭化90min后，继续以15℃/min速率程序升温至1200℃，保温反应3h，随炉冷却至室温，出料得炭化料；再将上述所得炭化料倒入盛有1200ml质量分数为15%盐酸的锥形瓶中，再将锥形瓶移至超声振荡仪，于超声频率为45khz，温度为50℃条件下，超声处理90min，待超声处理结束，将锥形瓶中物料过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为110℃条件下干燥至恒重，得酸浸炭化料，备用；再依次称取150g纳米铝粉，220g纳米氧化铜粉，420g纳米氧化亚铜粉，加入盛有1800ml质量分数为50%乙醇溶液的烧杯中，再加入12g硅烷偶联剂kh-570，再将烧杯置于超声振荡仪，于频率为45khz条件下，超声处理60min，得混合浆料；最后按重量份数计，在球磨罐中依次加入100份上述所得混合浆料，8份上述备用酸浸炭化料，0.5份萤石，4份硬脂酸，按球料质量比为20：1加入氧化锆球磨珠，球磨混合120min，再将球磨罐中物料转入真空干燥箱，于温度为95℃条件下，干燥15h，出料，即得新型接地网材料专用铝热焊粉。
本实例操作简便，使用时，首先将两根接地工件的待焊接端头固定在铸型模具内，按质量比90：1，将本发明制得的新型接地网材料专用铝热焊粉与氯酸钾混合均匀后倒入铸型模具中的焊粉填充区内，并盖好模具，随后用点火枪点燃焊粉进行热熔反应20s，反应结束后，静置模具冷却30s，再用铁钳撤除模具，最后待全部焊接工序完成后，再对焊接后的接地材料进行绝缘处理即可。经检测，本发明制得的新型接地网材料专用铝热焊粉焊接效果好，焊接后的接头质量可靠，接头气泡较少，焊接接头硬度可达hrc65，抗拉强度达380mpa，接头电阻值为113μω，熔点为1150℃。