本发明属电工材料技术领域，特别涉及一种耐张接续金具用铝碳复合材料及其制备方法。
背景技术：
电压等级的提高，加之外界自然环境的复杂多变，使输电线路的接续金具产生过热和锈蚀等现象。特别是在夏季负荷高峰期，因耐张线夹的压接管和引流板过热所造成的热损毁已成为突出的电网安全运行隐患。《架空送电线路运行规程》(DL/T741)规定，耐张线夹运行温度不得高于导线(低于70℃)温度10℃，且导线与导流设备相对温差值超过35％为一般缺陷，超过80％则为重大缺陷。
引起金具异常发热升温的主要原因有：(1)金具耐热性能和抗形变回复性能不足，长期运行或出现短时异常高温时压接形变回复，握力松弛，导致耐张管与导线之间压接不实，接触电阻增大，形成恶性循环；(2)电迁移导致接触面材料严重退化，高密度电流无法通过接触点，随之在原接触点附近形成新的导流点，这样周而复始，电接触日趋劣化，直到失效。
为了提高接续金具的握力和抗热松弛性能，在铝中添加铜、锆、镍、钛、钒等金属元素制成铝合金，可以大大提高材料的强度和耐热性能，握力松弛现象会得到明显改善。但采用合金强化的主要问题在于，随着运行时间的延长，铝与这些合金元素之间不可避免地形成金属间化合物并长大，导致金具电阻率升高，温度进一步上升，金具工作特性恶化。
因此，采用非合金化的复合增强方法是提高接续金具用铝材料强度的理想方法之一。
技术实现要素：
为了克服上述不足，本发明提供一种高强度、高散热性能和良好电接触性能的接续金具材料。采用本发明的铝碳复合材料制造的接续金具导电性与纯铝相当。由于碳颗粒加入，大大提高了接续金具材料的硬度、强度和抗高温松弛性能。由于碳在大气中具有很好的稳定性，且不与铝形成合金或化合物，因而铝的耐腐蚀性能不发生明显的改变。
当前，铝基复合材料的研究集中在两个方面：1)采用连续纤维增强；2)采用不连续增强体增强。其中，非连续增强体包括颗粒和晶须，使用最多的是SiC和Al2O3。因而，本发明首先选用SiC和Al2O3，制得的SiCp、Al2O3w增强铝基复合材料虽具有优异的耐磨性和低的热膨胀性，但会导致复合材料的导电性能严重恶化，难以满足接触金具的技术要求。为此，本发明在系统研究了铝基体与非连续增强体间的界面结合规律；材料浸润性和制备工艺对“应力分布、裂纹扩展和导电性”影响的基础上，对现有的非连续增强体进行了大规模的筛选，结果表明：采用碳粉对铝基体进行增强可获得预期的硬度、强度和抗高温松弛性能，制备的碳铝复合材料具有较优的热加工性、抗应变松弛性和导电性，能够满足架空送电线路建设中对接续金具的相关要求。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强度、抗松弛的接续金具材料，所述接续金具材料为碳铝复合材料，强度σ0.2≥280MPa，硬度≥HB 160；其中，碳的质量分数为0.2％～10.0％。
由铝-碳相图可知，在1200℃之下，无论是液态还是固态，碳在铝中的溶解度都极低，几乎为0，这就是说，在铝液中加入碳粉，并不形成铝碳合金。并且，由于不能形成固溶体，铝碳之间也几乎不发生互扩散。在铝碳体系中，唯一可能出现的金属间化合物是Al4C3，它的生成条件是在铝中碳含量超过40％，且要求的能量水平很高，在铝熔点之下存在的可能性极小。因而，铝-碳复合材料在接续金具工作条件下是非常稳定的体系。
优选的，所述接续金具材料中杂质铁、硅及其它杂质总质量小于0.3％；
优选的，所述碳粉还可用鳞片石墨粉、或鳞片石墨粉与碳粉的混合物替换。铝是热和电的良导体材料，碳也具有类似的性质。因而将适量的碳介入铝中不会对这两个关键因素产生明显的负面影响。
研究中，希望采用碳纳米管对铝基体进行增强已获得更高性能的复合材料。但众所周知的是，碳纳米管粉末不能直接加入到熔融铝中实现分散。采用球磨方式制备中间过渡材料的球磨过程中，由于亚稳态的碳纳米管团簇聚集问题无法解决，最终不能保持其分散纳米材料的特征。因此，本发明优选的采用碳粉、鳞片石墨粉、或二者的混合物。
优选的，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇丁醚醋酸酯或氯醋树脂中的至少一种。
优选的，所述接续金具材料采用如下方法制备，包括：
将铝粉与分散于有机溶剂的碳粉混合均匀、干燥、球磨、压制成铝碳粉末块；
以上述铝碳粉末块、铝块为原料进行冶炼、铸锭、开坯、轧制，即得高强度、抗松弛的接续金具材料。
在铝中加入均匀分布的微细碳颗粒，形成铝包覆或粘附碳的机械混合物，当铝粉与碳粉的质量比大于3：1时，碳粉对铝基体的增强效果不佳、材料在高温下的回复激活能和抗松弛性能下降；当铝粉与碳粉的质量比小于1：1时，有界面反应形成强界面结合，易引起复合材料低应力破坏。因此，本发明中优选的铝粉与碳粉的质量比为1～3：1。
优选的，所述球磨处理后，碳粉的粒径小于1μm。
在铝中加入均匀分布的微细碳颗粒获得的高强度铝碳复合材料，这主要是利用了颗粒弥散强化机制。通过行星球磨机研磨，一方面形成铝包覆或粘附碳的机械混合物，另一方面是使碳粉进一步细化至1μm以下颗粒尺寸，弥散强化效果更为显著，由于微细碳粉颗粒对铝在压制等形变过程中产生的位错、空位等缺陷的钉扎固定作用，提高了材料在高温下的回复激活能，因而使抗松弛性能明显上升。即使制成金具在较高温度(<180℃)下长期运行，压接形变部分也不出现明显的松弛。
优选的，所述冶炼过程中，将铝碳粉末块压入铝液底部后，在搅拌状态下溶解的超细碳粉颗粒。以球磨方式将铝粉和碳粉进行充分的研磨细化，使碳粉与铝粉形成机械粘合或包覆颗粒，解决碳粉与铝溶液的润湿问题。压制的铝碳混合粉末块体在冶炼过程中压入铝液底部后，在搅拌状态下溶解的超细碳粉颗粒并不容易上浮而产生明显的比重偏析现象，从而保证了铸锭成分的均匀性。
本发明还提供了一种高强度、抗松弛的接续金具材料的制备方法，包括：
将铝粉与分散于有机溶剂的碳粉混合均匀、干燥、球磨、压制成铝碳粉末块；
以上述铝碳粉末块、铝块为原料进行冶炼、铸锭、开坯、轧制，即得高强度、抗松弛的接续金具材料。
优选的，所述铝粉与碳粉的质量比为1～3：1；
优选的，所述接续金具材料中，碳的质量分数为0.2％～10.0％；
优选的，所述接续金具材料中杂质铁、硅及其它杂质总质量小于2.0％；
优选的，所述球磨处理后，碳粉的粒径小于1μm；
优选的，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇丁醚醋酸酯或氯醋树脂中的至少一种。
优选的，所述冶炼过程中，将铝碳粉末块压入铝液底部后，在搅拌状态下溶解的超细碳粉颗粒。
本发明还提供了一种较优的高强度、抗松弛的接续金具材料，其质量百分比组成为：碳0.2％～10.0％，其余为铝；铁和硅成分作为重点控制的杂质元素，且二者的总含量<1.0％；其它杂质的总含量<1.0％。
制备方法：
(1)将粒度为500目～8000目(粒径1.5μm～25μm)的碳粉(是指包括碳粉、鳞片石墨粉中的一种或两种)溶于体积比为2:1的酒精(工业纯)中，在超声波振荡器中震动分散均匀后备用。
(2)在上述碳粉酒精溶液中加入与干碳粉重量比为2:1的纯铝粉(活性铝含量不低于97.0％，粒度为400目～800目，粒径15μm～37μm)，在机械搅拌机中搅拌分散均匀后，置入烘干箱中烘干。
(3)将烘干后的铝碳混合粉末加入到带有冷却和氩气保护的行星球磨机中，研磨一定时间后取出放入压制磨具中，用压力机压制成尺寸适宜块体。
(4)在中频感应熔炼设备的坩埚中将铝锭加热熔化，用石墨钟罩按比例压入铝碳粉末块后，以电磁和机械方式充分搅拌，待铝碳粉末块熔清后扒渣，精炼后降温至浇铸温度并保温一定时间后，用强制冷却铸模浇铸成铝碳复合材料铸锭。
(5)采用热挤压或热轧制工艺，加工成适于制作接续金具要求的产品形状。
优选的，所述的浇铸温度为680℃～780℃。
优选的，所述的热挤压或热轧制工艺中，铝碳复合材料铸锭的加热温度为400～500℃。
本发明还提供了任一上述方法制备的接续金具材料。
本发明中任一上述的接续金具材料可用于在输电线路建设，或制造机械及电气产品，皆获得了预期的效果，特别是架空送电线路建设中，完全能够满足高温、恶劣环境的使用要求。本发明的有益效果
1)本发明采用铝碳复合材料制造的接续金具导电性与纯铝相当。由于碳颗粒加入，大大提高了接续金具材料的硬度、强度和抗高温松弛性能。由于碳在大气中具有很好的稳定性，且不与铝形成合金或化合物，因而铝的耐腐蚀性能不发生明显的改变。
2)在导电性能方面，由于铝碳复合材料的组织中并不形成金属间化合物，因而制成的金具本体的电阻值可以保持长期稳定。
3)本发明的铝碳复合材料成分配伍，是加入不溶于复合材料的微细碳颗粒成分，利用颗粒增强效应，在不影响加工性能的同时，大幅度提高了材料强度(σ0.2≥280MPa)和硬度(≥HB 160)。与此同时，利用碳保证了复合材料具有良好的导电性能和耐腐蚀性能。
4)与现有技术比较，采用本发明的铝碳复合材料制造的接续金具导电性与纯铝相当。由于碳颗粒加入，大大提高了接续金具材料的硬度、强度和抗高温松弛性能。由于碳在大气中具有很好的稳定性，且不与铝形成合金或化合物，因而铝的耐腐蚀性能不发生明显的改变。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
实施例1
一种耐腐蚀接续金具材料，其各组分质量百分比为：石墨碳粉7.0％，余量为铝。杂质铁、硅及其它杂质总量为1.5％。
选用的原材料有：含碳量为99.9％的石墨碳粉7.0％，牌号为FLPN320.0铝粉(氮气雾化铝粉，平均粒径32μm)，余量为Al99.70E牌号的电工铝锭。杂质铁、硅及其它杂质总量为0.3％。
制备铝—石墨粉体块。在容器中将石墨碳粉搅拌溶于工业酒精中，放入超声波清洗器中震动分散均匀后，加入1倍于石墨碳粉重量的FLPN320.0纯铝粉，机械搅拌均匀后装入行星球磨机，罐体和球体均为氧化铝陶瓷材料，抽真空至10-1Pa后充入氩气，控制罐体温度在50℃以下，以200r/min转速研磨3h后取出装入模具，压制成密度为1.0～2.0g/cm3直径为D30mm×30mm的圆柱块体，备用。
熔炼铝碳复合材料铸锭：将铝锭放入中频炉中，升温加热至690℃并保温，待铝锭完全熔化后，按上述比例用石墨钟罩压入铝碳中间复合材料，加入电磁和机械搅拌，升温至710℃，待熔池里的块体充分熔化，进行扒渣搅拌，然后取样检测调整成分，精炼，出炉浇铸成D30mm×100mm铝碳复合材料铸锭，浇铸温度为680℃～700℃。然后采用反向挤压法压成直径为D30mm×6.25mm(内径为d17.5mm,)的管材。挤压筒加热温度为460℃～500℃，铸锭加热温度为480～500℃。
将上述接续套管管材与相同尺寸的纯铝套管一并制成JY-150L的铝绞线接续套管样品各2组，每组为3件，采用液压法压入LJ-150规格的铝绞线，在实验室进行接续性能测试。
试验结果如下：
(1)常温平均握力试验结果：纯铝套管为25.5kN；铝碳复合材料套管为31.7kN。
(2)将第2组样品在热烘箱中加热至150℃保温6小时后取出自然冷却至室温，测量握力的结果：纯铝套管为19.8kN(降低了22.4％)；铝碳复合材料套管为29.7kN(降低了6.3％)。
上述结果表明，铝碳复合材料套管具有良好的抗松弛性能。
对棒材取样在万能实验机上进行拉伸试验，三组5倍试样测得的屈服强度平均为σ0.2＝353MPa，平均延伸率δ5＝6.7％。
实施例2
一种耐腐蚀接续金具材料，其各组分质量百分比为：石墨碳粉5.0％，余量为铝。杂质铁、硅及其它杂质总量为1.5％。
选用的原材料有：含碳量为99.9％的石墨碳粉5.0％，牌号为FLPN320.0铝粉(氮气雾化铝粉，平均粒径32μm)，余量为Al99.70E牌号的电工铝锭。杂质铁、硅及其它杂质总量为0.3％。
制备铝—石墨粉体块：在容器中将石墨碳粉搅拌溶于工业酒精中，放入超声波清洗器中震动分散均匀后，加入2倍于石墨碳粉重量的FLPN320.0纯铝粉，机械搅拌均匀后装入带有水冷系统的行星球磨机，罐体和球体均为氧化铝陶瓷材料，抽真空至10-1Pa后充入氩气，控制罐体温度在50℃以下，以200r/min转速研磨3h后取出装入模具，压制成密度为1.0～2.0g/cm3直径为D30mm×30mm的圆柱块体，备用。
熔炼铝碳复合材料铸锭：将铝锭放入中频炉中，升温加热至690℃并保温，待铝锭完全熔化后，按上述比例用石墨钟罩压入制备铝—石墨粉体块。加入电磁和机械搅拌，升温至710℃，待熔池里的块体充分熔化后，扒渣搅拌，然后取样检测调整成分，精炼，出炉浇铸成D30mm×100mm铝碳复合材料铸锭，浇铸温度为680℃～700℃。然后采用反向挤压法压成直径为D30mm×6.25mm(内径为d17.5mm,)的管材。挤压筒加热温度为460℃～500℃，铸锭加热温度为480～500℃。
将上述接续套管管材与相同尺寸的纯铝套管一并制成JY-150L的铝绞线接续套管样品各2组，每组为3件，采用液压法压入LJ-150规格的铝绞线，在实验室进行接续性能测试。
试验结果如下：
(1)常温平均握力试验结果：纯铝套管为25.5kN；铝碳复合材料套管为28.0kN。
(2)将第2组样品在热烘箱中加热至150℃保温6小时后取出自然冷却至室温，测量握力的结果：纯铝套管为19.8kN(降低了22.4％)；铝碳复合材料套管为25.2kN(降低了10.0％)。
上述结果表明，铝碳复合材料套管具有良好的抗松弛性能。
对棒材取样在万能实验机上进行拉伸试验，三组5倍试样测得的屈服强度平均为σ0.2＝327MPa，平均延伸率δ5＝8.5％。
实施例3
一种耐腐蚀接续金具材料，其各组分质量百分比为：石墨碳粉2.0％，余量为铝。杂质铁、硅及其它杂质总量为0.3％。
选用的原材料有：含碳量为99.9％的石墨碳粉2.0％，牌号为FLPN320.0铝粉(氮气雾化铝粉，平均粒径32μm)，余量为Al99.70E牌号的电工铝锭。杂质铁、硅及其它杂质总量为0.3％。
制备铝—石墨粉体块：在容器中将石墨碳粉搅拌溶于工业酒精中，放入超声波清洗器中震动分散均匀后，加入3倍于石墨碳粉重量的FLPN320.0纯铝粉，机械搅拌均匀后装入带有水冷系统的行星球磨机，罐体和球体均为氧化铝陶瓷材料，抽真空至10-1Pa后充入氩气，控制罐体温度在50℃以下，以200r/min转速研磨3h后取出装入模具，压制成密度为1.5～2.0g/cm3直径为D30mm×30mm的圆柱块体。
熔炼铝碳复合材料铸锭：将铝锭放入中频炉中，升温加热至690℃并保温，待铝锭完全熔化后，按上述比例用石墨钟罩压入铝碳中间复合材料，加入电磁和机械搅拌，升温至710℃，待熔池里的块体充分熔化，进行扒渣搅拌，然后取样检测调整成分，精炼，出炉浇铸成D30mm×100mm铝碳复合材料铸锭，浇铸温度为680℃～700℃。然后采用反向挤压法压成直径为D30mm×6.25mm(内径为d17.5mm,)的管材。挤压筒加热温度为460℃～500℃，铸锭加热温度为480～500℃。
将上述接续套管管材与相同尺寸的纯铝套管一并制成JY-150L的铝绞线接续套管样品各2组，每组为3件，采用液压法压入LJ-150规格的铝绞线，在实验室进行接续性能测试。
试验结果如下：
(1)常温平均握力试验结果：纯铝套管为25.5kN；铝碳复合材料套管为29.2kN。
(2)将第2组样品在热烘箱中加热至150℃保温6小时后取出自然冷却至室温，测量握力的结果：纯铝套管为19.8kN(降低了22.4％)；铝碳复合材料套管为26.9kN(降低了7.8％)。
上述结果表明，铝碳复合材料套管具有良好的抗松弛性能。
对棒材取样在万能实验机上进行拉伸试验，三组5倍试样测得的屈服强度平均为σ0.2＝353MPa，平均延伸率δ5＝6.7％。
实施例4
一种耐腐蚀接续金具材料，其各组分质量百分比为：石墨碳粉0.2％，余量为铝。杂质铁、硅及其它杂质总量为0.3％。
选用的原材料有：含碳量为99.9％的石墨碳粉0.2％，牌号为FLPN320.0铝粉(氮气雾化铝粉，平均粒径32μm)，余量为Al99.70E牌号的电工铝锭。杂质铁、硅及其它杂质总量为0.3％。
制备铝—石墨粉体块：在容器中将石墨碳粉搅拌溶于丙酮中，放入超声波清洗器中震动分散均匀后，加入1倍于石墨碳粉重量的FLPN320.0纯铝粉，机械搅拌均匀后装入行星球磨机，罐体和球体均为氧化铝陶瓷材料，抽真空至10-1Pa后充入氩气，控制罐体温度在50℃以下，以200r/min转速研磨1h后取出装入模具，压制成密度为1.5～2.0g/cm3直径为D30mm×30mm的圆柱块体。
熔炼铝碳复合材料铸锭：将铝锭放入中频炉中，升温加热至690℃并保温，待铝锭完全熔化后，按上述比例用石墨钟罩压入铝碳中间复合材料，加入电磁和机械搅拌，升温至710℃，待熔池里的块体充分熔化，进行扒渣搅拌，然后取样检测调整成分，精炼，出炉浇铸成D30mm×100mm铝碳复合材料铸锭，浇铸温度为680℃～700℃。然后采用反向挤压法压成直径为D30mm×6.25mm(内径为d17.5mm,)的管材。挤压筒加热温度为460℃～480℃，铸锭加热温度为460～480℃。
将上述接续套管管材与相同尺寸的纯铝套管一并制成JY-150L的铝绞线接续套管样品各2组，每组为3件，采用液压法压入LJ-150规格的铝绞线，在实验室进行接续性能测试。
试验结果如下：
(1)常温平均握力试验结果：纯铝套管为25.5kN；铝碳复合材料套管为26.3kN。
(2)将第2组样品在热烘箱中加热至150℃保温6小时后取出自然冷却至室温，测量握力的结果：纯铝套管为19.8kN(降低了22.4％)；铝碳复合材料套管为23.3kN(降低了11.5％)。
上述结果表明，铝碳复合材料套管具有良好的抗松弛性能。
对棒材取样在万能实验机上进行拉伸试验，三组5倍试样测得的屈服强度平均为σ0.2＝285MPa，平均延伸率δ5＝7.9％。
实施例5
一种耐腐蚀接续金具材料，其各组分质量百分比为：石墨碳粉9.5％，余量为铝。杂质铁、硅及其它杂质总量为1.5％。
选用的原材料有：含碳量为99.9％的石墨碳粉9.5％，牌号为FLPN320.0铝粉(氮气雾化铝粉，平均粒径32μm)，余量为Al99.70E牌号的电工铝锭。杂质铁、硅及其它杂质总量为0.3％。
制备铝—石墨粉体块：在容器中将石墨碳粉搅拌溶于乙醇中，放入超声波清洗器中震动分散均匀后，加入2倍于石墨碳粉重量的FLPN320.0纯铝粉，机械搅拌均匀后装入带有水冷系统的行星球磨机，罐体和球体均为氧化铝陶瓷材料，抽真空至10-1Pa后充入氩气，控制罐体温度在50℃以下，以200r/min转速研磨3h后取出装入模具，压制成密度为0.5～1.5g/cm3直径为D30mm×30mm的圆柱块体。
熔炼铝碳复合材料铸锭：将铝锭放入中频炉中，升温加热至690℃并保温，待铝锭完全熔化后，按上述比例用石墨钟罩压入铝碳中间复合材料，加入电磁和机械搅拌，升温至710℃，待熔池里的块体充分熔化，进行扒渣搅拌，然后取样检测调整成分，精炼，出炉浇铸成D30mm×100mm铝碳复合材料铸锭，浇铸温度为680℃～700℃。然后采用反向挤压法压成直径为D30mm×6.25mm(内径为d17.5mm,)的管材。挤压筒加热温度为480℃～500℃，铸锭加热温度为480～500℃。
将上述接续套管管材与相同尺寸的纯铝套管一并制成JY-150L的铝绞线接续套管样品各2组，每组为3件，采用液压法压入LJ-150规格的铝绞线，在实验室进行接续性能测试。
试验结果如下：
(1)常温平均握力试验结果：纯铝套管为25.5kN；铝碳复合材料套管为33.0kN。
(2)将第2组样品在热烘箱中加热至150℃保温6小时后取出自然冷却至室温，测量握力的结果：纯铝套管为19.8kN(降低了22.4％)；铝碳复合材料套管为30.5kN(降低了7.5％)。
上述结果表明，铝碳复合材料套管具有良好的抗松弛性能。
对棒材取样在万能实验机上进行拉伸试验，三组5倍试样测得的屈服强度平均为σ0.2＝366MPa，平均延伸率δ5＝2.5％。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。