一种金属基石墨烯复合线材的加工设备及工艺的制作方法

本发明涉及复合材料领域，特别是一种金属基石墨烯复合线材的加工设备及工艺。

背景技术

金属线材在工业和日常生活领域应用广泛，如输变电线缆用铜线材或铝线材、电脑和手机等消费类电子产品用铜及铜合金线材、各类电机用铜或铝电磁线、各类钢丝绳用钢丝、真空电子元器件用镍丝、线切割用钼丝等。铜导电率高，一般用作导电、信号传输或散热材料如电机用电磁线，电机工作时由于电磁感应及涡流效应，产生大量热量如不及时散出，造成电机烧坏，高温下铜易氧化腐蚀。如：长距离高压电输送用架空导线一般采用钢芯铝合金裸线缆，不用绝缘层包覆，由于电压极高，即使包覆绝缘层也会被击穿，极易老化失效；而且包覆绝缘层不利于散热，增加成本和重量。由于铝导电率低，输电过程中功率损失大，没有绝缘层保护的裸钢芯铝导线在自然环境中被氧化和腐蚀，耐腐蚀性能差。另外电子元器件用镍丝存在导电率低等问题。

石墨烯(graphene)是由碳原子按照六边形排列连接而成的二维薄膜材料，单层石墨烯只有一个碳原子的厚度即0.335nm，其拉伸强度和弹性模量可达125gpa和1.1tpa，结构稳定，耐腐蚀，耐氧化，电子迁移率可达到2×10⁵cm²/v·s，约为硅中电子迁移率的140倍，电导率可达100ms/m，大于纯铜的58ms/m，比表面积大(2630m²/g)，热导率(室温下5000w·m^-1·k^-1)是硅的36倍，是铜(室温下401w·m·k)的十倍多，具有优异散热性能，且石墨烯只吸收2.3％的光，具有良好的透光性。

涂覆石墨烯能提高散热性、线材耐腐蚀性和耐氧化性，从而大幅度提高电机性能。但石墨烯是非金属，与金属表面结合难度大、结合力低，现有技术通过气相沉积或涂覆氧化石墨烯再还原制备石墨烯。其中，气相沉积法成本高，只能在实验室使用，尚不具备大规模生产条件，且石墨烯层与金属表面结合力仍很低；氧化石墨烯还原法工艺复杂，需先涂覆氧化石墨烯，再用加热法或化学法还原成石墨烯，难以全部还原，残留有大量功能团，严重影响石墨烯性能。

技术实现要素：

为克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种金属基石墨烯复合线材的加工设备及工艺，该装置简单易行，适用于各种金属及合金线材，可连续化大规模生产，不需要真空等工作环境，也不需要还原氧化石墨烯，制备的金属基石墨烯复合线材导电率高、耐腐蚀性强和导热性好。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种金属基石墨烯复合线材的加工设备，包括：石墨烯分散液预处理容器、超声振动器、放线装置、储液槽、涂覆滚筒、拉圆毛毡、惰性气体保护烘干和冷却装置和收线装置；其中，

所述石墨烯分散液预处理容器置于所述超声振动器上方或内部，用于超声分散石墨烯分散液；

所述涂覆滚筒外表面均匀分布有周向凹槽，且所述涂覆滚筒轴线以下浸渍于所述储液槽内的石墨烯分散液中，金属线材可绕所述周向凹槽转动。

进一步地，上述金属基石墨烯复合线材的加工设备还包括定量泵、惰性气体保护在线退火装置和金属线材表面预处理装置；其中，

所述定量泵进口端与所述石墨烯分散液预处理容器连接，出口端与所述储液槽连接；

所述惰性气体保护在线退火装置包括若干根通过电阻或电磁感应加热的退火管，所述退火管为耐高温不锈钢管或陶瓷管，惰性气体可沿正向或逆向流动；

所述金属线材表面预处理装置包括依次连通的碱洗槽、第一水洗槽、酸洗槽和第二水洗槽，且所述槽内均设有所述超声振动器和加热装置。

进一步地，所述放线装置包括放线轮和调速电机。

进一步地，所述拉圆毛毡为通过可调弹簧固定连接上、下两块用所述石墨烯分散液润湿的羊毛毡或多孔软毛毡。

进一步地，所述金属线材包括金属圆线、金属扁线或异型截面线材。

进一步地，所述惰性气体保护烘干和冷却装置由若干根耐高温不锈钢管或陶瓷管组成，依次分为预热区、高温烘干区、低温烘干区和冷却区；所述烘干区管外壁采用电阻或电磁感应加热，惰性气体由所述冷却区进入、从所述预热区流出。

进一步地，所述涂覆滚筒包括同轴线且依次排布的涂覆滚筒ⅰ和涂覆滚筒ⅱ；所述涂覆滚筒ⅰ和所述涂覆滚筒ⅱ的外表面都均匀分布有周向凹槽，且底部分别设有溢流导管。

本发明的第二方面，通过上述加工设备加工金属基石墨烯复合线材的工艺，包括以下步骤：

s1、石墨烯分散液预处理：先将石墨烯分散液超声振动处理至少1h，且生产过程中持续进行在线超声振动处理；

s2、放线：金属线材从所述放线装置依次穿过所述涂覆滚筒、拉圆毛毡和退火和冷却装置，固定于所述收线装置，在电机作用下放线；

s3、线材表面涂覆石墨烯和后处理：步骤s1预处理后的石墨烯分散液经定量泵输送至所述储液槽，所述涂覆滚筒轴线以下浸渍于所述储液槽内的石墨烯分散液中，在电机带动下金属线材绕所述涂覆滚筒的周向凹槽转动，所述石墨烯分散液涂覆于所述金属线材表面；再经所述拉圆毛毡拉圆，使所述金属线材表面的石墨烯分散液涂覆均匀；然后经所述退火和冷却装置烘干、冷却；

s4、收线。

需要说明的是，在本发明的优选加工工艺中，步骤s2中所述放线速度为150-300m/min，优选160-260m/min，且放线后的金属线材经过所述惰性气体保护在线退火装置软化退火，再经所述金属线材表面预处理装置在温度为65-75℃下除油和除氧化物，重复步骤s3所述线材表面涂覆石墨烯和后处理至少一次，至所述石墨烯层的厚度为0.01-0.05μm，经步骤s4收线后的石墨烯复合导线进一步通过拉拔模进行减径拉拔，提高石墨烯与金属基体之间界面结合力。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

一、本发明加工工艺简单，可直接在金属线材表面涂覆石墨烯，不需要先涂覆氧化石墨烯、后加热或化学还原氧化石墨烯，且可通过调节石墨烯分散液浓度和往复多道次涂覆控制石墨烯层厚度，还可经后续拉拔变形进一步提高石墨烯与金属基体之间界面结合力。

二、本发明加工设备简单，不需要在真空下工作，适合于大规模连续化生产。

三、通过本发明加工设备和加工工艺制备的金属基石墨烯复合线材，提高线材导电率、耐腐蚀性和散热性能，满足各类金属线材不同工况的性能需求。

附图说明

图1是本发明加工设备的主视图；

图2是本发明加工设备的俯视图；

图3是本发明加工设备中涂覆滚筒示意图；

其中：1、石墨烯分散液预处理容器；2、超声振动器；3、定量泵；4、放线装置；5、惰性气体保护在线退火装置；6、金属线材表面预处理装置；7、储液槽；8、涂覆滚筒；9、拉圆毛毡；10、惰性气体保护烘干和冷却装置；11、收线装置；12、涂覆滚筒ⅰ；13、涂覆滚筒ⅱ；14、溢流导管。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图与具体实施例，进一步阐述本发明。

参见附图1和2，金属基石墨烯复合线材的加工设备包括：石墨烯分散液预处理容器1、超声振动器2、放线装置4、储液槽7、涂覆滚筒8、拉圆毛毡9、惰性气体保护烘干和冷却装置10和收线装置11；其中，石墨烯分散液预处理容器1置于超声振动器2上方或内部，用于超声分散石墨烯分散液；涂覆滚筒8外表面均匀分布有周向凹槽，且涂覆滚筒8轴线以下浸渍于储液槽7内的石墨烯分散液中，金属线材可绕周向凹槽转动。

另外，上述金属基石墨烯复合线材的加工设备还包括定量泵3、惰性气体保护在线退火装置5和金属线材表面预处理装置6；定量泵3进口端与石墨烯分散液预处理容器1，出口端与储液槽7连接；惰性气体保护在线退火装置5包括若干根通过电阻或电磁感应加热的退火管，退火管为耐高温不锈钢管或陶瓷管，惰性气体可沿正向或逆向流动；金属线材表面预处理装置6包括依次连通的碱洗槽、第一水洗槽、酸洗槽和第二水洗槽，且槽内均设有超声振动器2和加热装置。放线装置4包括放线轮和调速电机；拉圆毛毡9为通过可调弹簧固定连接上、下两块用石墨烯分散液润湿的羊毛毡或多孔软毛毡；金属线材包括金属圆线、金属扁线或异型截面线材；惰性气体保护烘干和冷却装置10由若干根耐高温不锈钢管或陶瓷管组成，依次分为预热区、高温烘干区、低温烘干区和冷却区；烘干区管外壁采用电阻或电磁感应加热，惰性气体由冷却区进入、从预热区流出。

参见附图3，涂覆滚筒8包括同轴线且依次排布的涂覆滚筒ⅰ12和涂覆滚筒ⅱ13；涂覆滚筒ⅰ12和涂覆滚筒ⅱ13的外表面都均匀分布有周向凹槽，且底部分别设有溢流导管14。

实施例一

通过上述加工设备制备无氧铜石墨烯复合线材的具体工艺为：

原材料为直径φ0.1mm的无氧铜线，浓度为5wt％的水基石墨烯分散液，先将石墨烯分散液用去离子水稀释到1wt％，并用超声振动处理12h，使石墨烯分散均匀，并将无氧铜线轮安装到放线装置4上，完成穿线工作后启动设备，放线速度为160m/min。

无氧铜线先进入在线退火装置5，退火温度为400℃，退火管内同时通入氮气保护，再进入表面预处理装置6，依次通过碱洗槽、水洗槽、酸洗槽、水洗槽，并用冷风吹干，碱洗槽内装有专用铜线材碱性清洗液，酸洗槽内装有专用铜线材酸性清洗液，水洗槽内装有经软化处理后的清水，各槽内液体温度均控制在70℃±5℃。无氧铜线通过表面预处理装置6后，在电机带动下沿涂覆滚筒8上表面的周向凹槽转动，石墨烯分散液附着于无氧铜线表面，随后进入拉圆毛毡9拉圆，立即进入惰性气体保护烘干和冷却装置10，依次通过预热区、高温烘干区、低温烘干区、冷却区，再风扇吹干，预热区温度为80℃，高温烘干区温度为120℃，低温烘干区温度为110℃，氮气从冷却区端口处进入、预热区流出，完成第一道次石墨烯涂覆。

经上述涂覆后的无氧铜线石墨烯复合线材经导向轮换向，再次通过涂覆滚筒8进行第二道次涂覆，重复上述过程共涂覆5道次，得石墨烯层厚度为0.05μm的无氧铜石墨烯复合线材。

实施例二

通过上述加工设备制备纯铝石墨烯复合线材的具体工艺为：

原材料为直径为0.5mm、纯度为99.9％的纯铝线(铝线为软态，已经过软化退火处理)，浓度为5wt％的吡咯烷酮(nmp)石墨烯分散液，先将吡咯烷酮石墨烯分散液稀释到浓度为1.5wt％，对石墨烯分散液进行18h超声振动处理。由于原材料为经过软化退火处理的软线，故不需要进行退火处理，直接将铝线轮安装到放线装置4上，完成穿线工作后启动设备，放线速度为210m/min。

铝线先通过在线退火装置5，由于原材料为软态铝线，退火装置5不工作，不需要设置退火温度。再进入表面预处理装置6，依次通过碱洗槽、水洗槽、酸洗槽、水洗槽，并用冷风吹干，碱洗槽内为专用铝线材碱性清洗液，酸洗槽内为专用铝线材酸性清洗液，水洗槽内为经软化处理的清水，各槽内液体温度均控制在70℃±5℃。铝线通过表面预处理装置6后，在电机带动下沿涂覆滚筒8上表面的周向凹槽转动，石墨烯分散液附着在铝线表面，随后进入拉圆毛毡9拉圆后，立即进入惰性气体保护烘干和冷却装置10，依次通过预热区、高温烘干区、低温烘干区、冷却区，随后通过风扇吹干，预热区温度为160℃，高温烘干区温度为260℃，低温烘干区温度为130℃，氮气从冷却区端口处进入、预热区流出，完成第一道次石墨烯涂覆。

经上述涂覆后的铝线石墨烯复合线材经导向轮换向后，再次通过涂覆滚筒8进行第二道次涂覆，重复上述过程共涂覆10道次，得石墨烯层厚度为0.03μm的铝石墨烯复合线材。

实施例三

通过上述加工设备制备不锈钢丝石墨烯复合线材的具体工艺为：

原材料为直径为0.09mm的316不锈钢丝(不锈钢丝已经过软化退火处理，并经过表面除油和除氧化皮处理)，浓度为3wt％的异丙醇石墨烯分散液，先将异丙醇石墨烯分散液稀释到浓度为0.5wt％，并对石墨烯分散液进行12h超声振动处理。由于原材料为经过软化退火处理的软线，不需要进行退火处理，将上述不锈钢线轮安装到放线装置4上，完成穿线工作后启动设备，放线速度为260m/min。

不锈钢线先通过在线退火装置5，但由于原材料为软态不锈钢线，故退火装置5不工作，不需要设置退火温度，再通过表面预处理装置6，由于原材料不锈钢丝已经过表面除油和除锈处理，表面预处理装置6不工作，各槽内不需要充液。然后在电机带动下沿涂覆滚筒8上表面的周向凹槽转动，石墨烯分散液附着在不锈钢线表面，随后进入拉圆毛毡9拉圆后，立即进入惰性气体保护烘干和冷却装置10，依次通过预热区、高温烘干区、低温烘干区、冷却区，随后通过风扇吹干，预热区温度为160℃，高温烘干区温度为300℃，低温烘干区温度为150℃，氮气从冷却区端口处进入、预热区流出，完成第一道次石墨烯涂覆，得石墨烯层厚度为0.01μm的不锈钢石墨烯复合线材。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。