专利名称：一种碳纳米管复合输电导线的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种复合输电导线的制造方法，尤其涉及一种碳纳米管复合输电导 线的制造方法。
背景技术：
传统架空线路的输电导线多为钢芯铝绞线，在实际使用中存在诸多问题如:1) 增强钢芯大为提高了导线的重量，因此需要架空线路杆塔之间的档距要短或增强杆塔的强 度，否则杆塔的负载能力不够，故而线路成本增加；2)存在的磁损和热效应使线路的输电损 耗大；3)钢芯的线膨胀系数大，工况的变化使导线的弧垂变化大，使得架空线路的绝缘空间 走廊大；4)铝线与镀锌钢芯之间的电化学腐蚀降低了导线的使用寿命。随着我国经济的高速发展，电力工业的建设呈突飞猛进的趋势，对架空输电导线 提出了更高的要求。为克服钢芯铝绞线的缺陷，目前已出现了碳纤维复合芯导线，如中国专 利CN1649718，CN201237921等，这类导线具有高比强度、耐高温、耐疲劳、低驰度、线膨胀系 数小等特点，在输电导线中优势日益突出。对于纤维增强复合材料而言，决定其性能的一个关键因素是长径比。碳纳米管作 为一维纳米材料，巨大的长径比(一般在1000 1以上)使其有望用作坚韧的碳纤维，无论强 度还是韧性都远远优于任何纤维，因此被认为是未来的“超级纤维”，碳纳米管在输电导线 中的应用，从理论角度，性能远远超过碳纤维复合芯导线。但是，与纳米相固有的物理、化学 特性相关，纳米相增强复合材料的制备较普通复合材料的制备要复杂和困难的多。比如，目 前国内外碳纳米管/铝基复合材料的制备主要采用粉末冶金法、熔体浸渍法、原位合成法、 高能球磨法、快速凝固法、化学镀法、等离子喷射成型法等，这些方法都需要预先制备碳纳 米管与铝基体的粉体混合物，碳纳米管在基体中的分散受到制约，且高能球磨等方法还会 造成碳纳米管完美结构的破坏，从而削弱复合材料优异的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳纳米管复合输电导线的制造方法，所制备的单股 输电导线铝基体晶粒细小、碳纳米管分散均勻且基本沿线取向，有利于发挥碳纳米管复合 材料的优点，改善铝导线强韧性并提高沿线方向电导率，减少输电损耗等。本发明是这样来实现的，其特征是将占总质量1% 7%的多壁碳纳米管粉末填充 在电工铝块上均勻钻好的小孔内，将两块已添加多壁碳纳米管粉末的铝块以盲孔法向相反 的方式层叠在一起，使多壁碳纳米管粉末能被包裹其中，然后通过摩擦挤压工艺，即形成一 中间有高速旋转摩擦头、摩擦头周边有细小缝隙的金属流动通道，将高速旋转的摩擦头插 入已添加多壁碳纳米管粉末的铝块中，在挤压棒挤压作用下，已添加多壁碳纳米管粉末的 铝块挤向摩擦头并被破碎通过金属流动通道，摩擦头的旋转速度为480-720r/min，挤压棒 挤压速度24-36mm/min，获得的碳纳米管/铝基复合材料入连轧机组连续轧成杆，复合材料 进轧温度500°C 600°C，出轧温度为150°C 350°C，经过连轧后在连续、高速铝合金拉线机上进行拉线，拉线速度为20-30m/s，经过13道次的拉线，拉制成所需要的碳纳米管/铝基 复合材料圆线，最后，在绞线机上进行绞制，经过退扭消应力装置，获得单股碳纳米管复合 输电导线。本发明的优点是1)摩擦挤压有利于碳纳米管与基体金属的复合，使其在基体中 分散均勻，可大幅度提高材料的力学和热学性能，铝基体经过摩擦挤压作用，晶粒得到细 化，也有利于其强度和韧性的改善，因此无需采用钢芯或复合芯增强来提高导线强度，可以 大大减轻导线的重量，同时，可以克服钢芯线磁损引起的热效应，消除铝线与镀锌钢芯之间 的双金属腐蚀，减少输电损失并提高导线耐蚀性能；导线线膨胀系数小，抵抗热变形性能 强，可以降低温度对弧垂变化的影响，改善弛度特性，提高架空线路的安全性和降低线路施 工成本；2)经过连轧和多道次的拉线，有助于碳纳米管沿轴向取向，基于碳纳米管超强的导 电性和复合材料电导率的各向异性，有利于提高导线沿线方向电导率，进一步减少输电损 耗；3)不同于大多数碳纤维复合芯输电导线中使用碳纤维树脂基复合芯，碳纳米管直接与 铝基体复合，工艺相对简单，不会存在复合芯与铝绞线由于种种原因而松动、打滑等现象。
具体实施例方式实施例1
本发明是这样来实现的，将占总质量1%的多壁碳纳米管粉末填充在电工铝块上均勻 钻好的小孔内，将两块已添加多壁碳纳米管粉末的铝块以盲孔法向相反的方式层叠在一 起，使多壁碳纳米管粉末能被包裹其中，然后将高速旋转的摩擦头插入已添加多壁碳纳米 管粉末的铝块中，摩擦头的旋转速度为480r/min，挤压棒挤压速度24mm/min，获得的碳纳 米管/铝基复合材料入连轧机组连续轧成杆，复合材料进轧温度500°C，出轧温度为150°C， 经过连轧后在连续、高速铝合金拉线机上进行拉线，拉线速度为20m/s，经过13道次的拉 线，拉制成所需要的碳纳米管/铝基复合材料圆线，最后，在绞线机上进行绞制，经过退扭 消应力装置，获得单股碳纳米管复合输电导线。结果表明，所制备的碳纳米管复合输电导线 抗拉强度平均值可达到255MPa，导电率平均50. 3%IACS (单线直径4. 63mm)，相比实测的普 通电工铝导线(抗拉强度平均215MPa，导电率平均49. 8%IACS)有一定的提高。实施例2
本发明是这样来实现的，将占总质量5%的多壁碳纳米管粉末填充在电工铝块上均勻 钻好的小孔内，将两块已添加多壁碳纳米管粉末的铝块以盲孔法向相反的方式层叠在一 起，使多壁碳纳米管粉末能被包裹其中，然后将高速旋转的摩擦头插入已添加多壁碳纳米 管粉末的铝块中，摩擦头的旋转速度为600r/min，挤压棒挤压速度30mm/min，获得的碳纳 米管/铝基复合材料入连轧机组连续轧成杆，复合材料进轧温度550°C，出轧温度为200°C， 经过连轧后在连续、高速铝合金拉线机上进行拉线，拉线速度为25m/s，经过13道次的拉 线，拉制成所需要的碳纳米管/铝基复合材料圆线，最后，在绞线机上进行绞制，经过退扭 消应力装置，获得单股碳纳米管复合输电导线。结果表明，所制备的碳纳米管复合输电导线 抗拉强度平均值可达到321MPa，导电率平均51. 2%IACS，而实测的普通电工铝导线抗拉强 度平均215MPa，导电率平均49. 8%IACS (单线直径4. 63mm)。实施例3
本发明是这样来实现的，将占总质量7%的多壁碳纳米管粉末填充在电工铝块上均勻钻好的小孔内，将两块已添加多壁碳纳米管粉末的铝块以盲孔法向相反的方式层叠在一 起，使多壁碳纳米管粉末能被包裹其中，然后将高速旋转的摩擦头插入已添加多壁碳纳米 管粉末的铝块中，摩擦头的旋转速度为720r/min，挤压棒挤压速度36mm/min，获得的碳纳 米管/铝基复合材料入连轧机组连续轧成杆，复合材料进轧温度600°C，出轧温度为350°C， 经过连轧后在连续、高速铝合金拉线机上进行拉线，拉线速度为30m/s，经过13道次的拉 线，拉制成所需要的碳纳米管/铝基复合材料圆线，最后，在绞线机上进行绞制，经过退扭 消应力装置，获得单股碳纳米管复合输电导线。结果表明，所制备的碳纳米管复合输电导线 抗拉强度平均值可达到346MPa，导电率平均51. 5%IACS，而实测的普通电工铝导线抗拉强 度平均215MPa，导电率平均49. 8%IACS (单线直径4. 63mm)。
权利要求
一种碳纳米管复合输电导线的制造方法，其特征是将占总质量1%～7%的多壁碳纳米管粉末填充在电工铝块上均匀钻好的小孔内，将两块已添加多壁碳纳米管粉末的铝块以盲孔法向相反的方式层叠在一起，使多壁碳纳米管粉末能被包裹其中，然后通过摩擦挤压工艺，即形成一中间有高速旋转摩擦头、摩擦头周边有细小缝隙的金属流动通道，将高速旋转的摩擦头插入已添加多壁碳纳米管粉末的铝块中，在挤压棒挤压作用下，已添加多壁碳纳米管粉末的铝块挤向摩擦头并被破碎通过金属流动通道，摩擦头的旋转速度为480 720r/min，挤压棒挤压速度24 36mm/min，获得的碳纳米管/铝基复合材料入连轧机组连续轧成杆，复合材料进轧温度500℃～600℃，出轧温度为150℃～350℃，经过连轧后在连续、高速铝合金拉线机上进行拉线，拉线速度为20 30m/s，经过13道次的拉线，拉制成所需要的碳纳米管/铝基复合材料圆线，最后，在绞线机上进行绞制，经过退扭消应力装置，获得单股碳纳米管复合输电导线。
全文摘要
一种碳纳米管复合输电导线的制造方法，将占总质量1%～7%的多壁碳纳米管粉末填充在电工铝块上均匀钻好的小孔内，将两块已添加多壁碳纳米管粉末的铝块以盲孔法向相反的方式层叠在一起，经摩擦挤压工艺制成复合材料后，进行连轧并拉制成所需要的碳纳米管/铝基复合材料圆线，最后，在绞线机上进行绞制，经过退扭消应力装置，获得单股碳纳米管复合输电导线。本发明的优点是1)导线线膨胀系数小，抵抗热变形性能强，可以降低温度对弧垂变化的影响，改善弛度特性，提高架空线路的安全性和降低线路施工成本；2)有利于提高导线沿线方向电导率，进一步减少输电损耗；3)工艺相对简单，不会存在复合芯与铝绞线由于种种原因而松动、打滑等现象。
文档编号C22C101/10GK101948988SQ20101052183
公开日2011年1月19日 申请日期2010年10月28日 优先权日2010年10月28日
发明者刘鸽平, 夏春, 李波, 邢丽, 骆珊, 黄春平 申请人:江西省电力科学研究院;南昌航空大学