本发明涉及导电材料技术领域，尤其涉及一种石墨烯铜包铝合金排线及其制备方法。
背景技术
铜是目前应用最为广泛的导电材料，大多数的导线为主要为铜材质。但是我国属于贫铜富铝的国家，铜矿资源75％依靠进口，因此国家大力倡导研发新型铜铝复合材料，以此来降低我国对于铜材的消耗，达到‘以铝节铜’的战略目的。
例如申请号为cn200810057667.x的中国专利公开了一种铜包铝复合排线及其制备方法，铜包铝复合排线由芯层铝及包覆层铜复合而成，铜包覆层面积比例为15％～40％，其制备步骤为：采用水平连铸直接复合成形铜包铝复合坯料；将铜包铝坯料根据需要进行多道次孔型轧制和/或多道次拉拔，采用轧制速度3～60m/min，单道次相对压下量20％～40％，或采用拉拔速度2～30m/min，单道次断面缩减率10％～25％；当多道次加工，铜包铝复合材料总断面缩减率达到75％～95％时，对铜包铝复合材料进行低温中间退火，退火温度为200～450℃，退火时间为0.5～2h；对退火后的坯料继续进行进一步轧制或拉拔，制成所需断面形状和尺寸铜包铝复合排线。
为了进一步提升铜包铝导电芯线的综合性能，现有技术中还在导电芯线中添加了稀土、镁等元素。但同时是这也会产生芯线机械性能下降，电阻率增大等技术问题。在研制新型变压器、节能母线槽、高低压开关柜时对铜包铝导电芯线提出了新的要求，传统的铜包铝导电芯线的抗拉强度及电阻率无法满足要求，造成新型变压器、节能母线槽、高低压开关柜的抗冲击能力无法满足设计要求，故针对市场需要，有必要开发出一款成本低、导电芯线机械性能好、电阻率低的导线材料。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种石墨烯铜包铝合金排线及其制备方法，本发明的石墨烯铜包铝合金排线成本低、导电性能好、抗拉强度高、延展性好。
本发明的具体技术方案为：一种石墨烯铜包铝合金排线，由石墨烯铝合金芯线以及包覆于其表面的铜层组成；所述石墨烯铜包铝合金排线的宽度为30-200mm，厚度为3-10mm，宽厚比为10∶1-35∶1；所述石墨烯铝合金芯线中含有铝97-98wt％，含有导电石墨烯粉0.8-1.8wt％，余量为杂质。
本发明采用上述配方制造石墨烯铜包铝合金母线排线，可用于变压器、节能母线槽、高低压开关、柜控制柜和各类电器件的绕组上。
本发明团队通过研究发现，石墨烯是铝、镁、锌、铜等有色金属良好的净化剂、细化剂和合金剂，一般只需加入千分之几，就能起到消除有害杂质的影响，细化晶粒并产生合金化的作用，从而提高材料的加工和使用性能。
在本发明中，石墨烯的作用是：
1、导电石墨烯粉具有完美的二维晶体结构，它的晶格是有六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。石墨烯具有优异的力学性能，其硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。
2、石墨烯具有出色的电学性能，在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度，赋予了石墨烯超好的导电性，在室温状况，传递电子的速度比已知的导体都快。常温下其电子迁移率超过15000cm2/v.s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6ω.cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。
本发明将导电石墨烯粉与铝进行复合，导电石墨烯粉吸附性高、活化性高、易分散、与铝合金相容性好。
综上所述，石墨烯的加入能有效地细化晶粒，提高石墨烯铝合金芯线的机械强度，同时还能降低石墨烯铜包铝合金芯线的电阻率，克服了现有技术中加入铌、稀土、镁等元素造成的芯线的机械性能下降，电阻率增大造成导线的导线性能下降的问题。
本发明的石墨烯铜包铝合金排线的电阻率为0.02133--0.02425ω.mm2/m，在软态下的延伸率≥10％，在硬态下的延伸率≥1.5％，具有优于纯铜导线的延伸率，具有较好的加工性能，另外石墨烯铜包铝合金排线的抗拉强度优于铜的抗拉强度，同时由于石墨烯铜包铝合金排线的密度均值仅为3.20g/cm3左右，是纯铜导线的35.9％，在线径规格与重量相同的条件下，该产品与纯铜导线的长度比为2.8∶1，即生产1吨石墨烯铜包铝合金复合导体材料可节约1.8吨纯铜，有效地节约了铜资源，降低了下游产业产品的成本，具有重大的经济效益。
作为优选，所述石墨烯铜包铝排线中铜层的质量百分数为15-20％。
一种上述石墨烯铜包铝合金排线的制备方法，包括以下步骤：
a)先将铝加热至液态进行冶炼，接着加入导电石墨烯粉，加入完成后混合搅拌，得到石墨烯铝合金液体，然后进行冶炼抽丝，制得石墨烯铝合金毛坯线。
在本步骤中进行混合搅拌，能使石墨烯在铝液中更好地混合。
b)对石墨烯铝合金毛坯线进行拉伸，同时进行精整处理，制得所需规格且表面圆整的石墨烯铝合金芯线。
c)将铜带辊压形成管状，将石墨烯铝合金芯线包覆于管状铜带中，并通过氩弧焊接将管状铜带的缝进行焊接；或将铜管套在石墨烯铝合金芯线外面，形成石墨烯铜包铝合金母线。
d)对石墨烯铜包铝合金母线进行真空退火。
在真空环境中退火，能够防止石墨烯铜包铝合金母线表面被氧化。
e)对退火后的石墨烯铜包铝合金母线进行连轧成型加工。
采用连轧加工，可以改造石墨烯铝合金芯线的组织，进一步细化芯线的晶粒，消除微观组织缺陷，使石墨烯铜包铝合金母线的机械性能进一步提高。
f)对连轧成型加工后的石墨烯铜包铝合金母线进行拉伸定型。
拉伸定型即对石墨烯铜包铝合金母线进行多次拉拔，将其加工成客户需要规格的石墨烯铜包铝合金排线。
g)收卷，形成料卷。
作为优选，步骤d)中，退火温度为300～350℃，时间为2～3h。
作为优选，在步骤f)后，对石墨烯铜包铝合金排线进行表面处理。
可以根据客户对石墨烯铜包铝合金母线的表面进行处理，得到客户要求的表面质量。
作为优选，在步骤c)前，对石墨烯铝合金芯线、铜带或铜管表面进行预处理：
1)将石墨烯铝合金芯线、铜带或铜管放入电解槽中进行一次直流电解处理；电解后用水清洗表面。
2)将石墨烯铝合金芯线、铜带或铜管放入电解槽中进行二次直流电解处理；电解后用水清洗表面。
在进行铜包铝之前，先对石墨烯铝合金芯线、铜带或铜管进行预处理。其中，一次直流电解处理的目的一是清除金属表面的杂质，二是对金属表面进行电化学腐蚀，使金属表面产生大量的微细腐蚀凹坑。二次直接电解处理的目的是在一次直流电解处理的基础上，进一步对凹坑进行腐蚀，增大其表面积。
在经过上述预处理后，金属表面在微观上变得凹凸不平，其作用是：1、增加铜、铝表面的接触面积，凹凸表面相互嵌合，增大摩擦力，从而在后续连轧、拉伸中石墨烯铝合金芯线与铜层不易发生相对位移，提高两种金属的界面结合力。2、由于铜和铝的导电率不同，因此在两种金属的界面，导电率会突然发生变化，从而影响电流的传导。而经过上述预处理后，铜、铝金属界面的融合度更好，经过后续连轧、拉伸后在界面形成一层铜、铝相互交融的界面相，其电导率介于铜、铝之间，使电流在界面的传导不变得那么“突兀”，可以起到缓冲的作用。
作为优选，一次电解处理时，电流密度为0.03-0.05a/cm2，电解时间为1-3min；电解温度为20-30℃；二次电解处理时，电流密度为0.2-0.4a/cm2，电解时间为3-5s，电解温度为30-40℃。
由于一次电解处理时，不仅需要去除金属表面杂质，还需要使金属表面产生大量的腐蚀凹坑，因此电流不宜过大，采用小电流长时间的腐蚀方法。在二次电解处理时，由于需要进一步对凹凸进行腐蚀，因此需要采用大电流，但是时间不易很长，否则会造成铜带穿孔。
作为优选，一次电解处理时，电解槽内含有0.2-0.5mol/l的柠檬酸；二次电解处理时，电解槽内含有1.5-3.5mol/l的盐酸。
与电流同理，一次电解处理时，采用酸性较弱的柠檬酸酸腐蚀，而次电解处理时，采用酸性较弱强的盐酸酸腐蚀，
与现有技术对比，本发明的有益效果是：本发明通过对石墨烯铝合金的材料的组成进行改进，通过加入的导电石墨烯粉，对材料的晶粒进行细化并产生合金化的作用，提高了材料的导电性能和机械性能及使用性能，消除了材料中的杂质对材料性能的影响，克服了现有的铜包稀土铝排线和铜铌铝合金导线及铜包稀土铝镁合金导线的稀土、金属铌和镁元素对导线的机械性能和导电性能的影响，另外石墨烯铜包铝合金母线排线的密度低于纯铜导线，在线径规格与重量相同的条件下，生产同样长度的导线能有效节约大量的铜资源，降低了下游产业产品的成本，具有重大的经济效益。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
总实施例
一种石墨烯铜包铝合金排线，由石墨烯铝合金芯线以及包覆于其表面的铜层组成；所述石墨烯铜包铝合金排线的宽度为30-200mm，厚度为3-10mm，宽厚比为10∶1-35∶1；所述石墨烯铝合金芯线中含有铝97-98wt％，含有导电石墨烯粉0.8-1.8wt％。所述石墨烯铜包铝排线中铜层的质量百分数为15-20％。
上述石墨烯铜包铝合金排线的制备方法，包括以下步骤：
a)先将铝加热至液态进行冶炼，接着加入导电石墨烯粉，加入完成后混合搅拌，得到石墨烯铝合金液体，然后进行冶炼抽丝，制得石墨烯铝合金毛坯线。
b)对石墨烯铝合金毛坯线进行拉伸，同时进行精整处理，制得所需规格且表面圆整的石墨烯铝合金芯线。
c)将铜带辊压形成管状，将石墨烯铝合金芯线包覆于管状铜带中，并通过氩弧焊接将管状铜带的缝进行焊接；或将铜管套在石墨烯铝合金芯线外面，形成石墨烯铜包铝合金母线。
d)对石墨烯铜包铝合金母线进行真空退火，退火温度为300～350℃，时间为2～3h。
e)对退火后的石墨烯铜包铝合金母线进行连轧成型加工。
f)对连轧成型加工后的石墨烯铜包铝合金母线进行拉伸定型。
g)收卷，形成料卷。
可选地，在步骤f)后，对石墨烯铜包铝合金排线进行表面处理。
可选地，在步骤c)前，对石墨烯铝合金芯线、铜带或铜管表面进行预处理：
1)将石墨烯铝合金芯线、铜带或铜管放入电解槽中进行一次直流电解处理(惰性石墨为阴极，金属铜或铝为阳极)；电解后用水清洗表面；电流密度为0.03-0.05a/cm2，电解时间为1-3min；电解温度为20-30℃；电解槽内含有0.2-0.5mol/l的柠檬酸。
2)将石墨烯铝合金芯线、铜带或铜管放入电解槽中进行二次直流电解处理(惰性石墨为阴极，金属铜或铝为阳极)；电解后用水清洗表面。电流密度为0.2-0.4a/cm2，电解时间为3-5s，电解温度为30-40℃。电解槽内含有1.5-3.5mol/l的盐酸。
实施例1
石墨烯铜包铝合金排线的生产方法，按照如下步骤进行：
a)按照97.6wt％的铝，0.8wt％的导电石墨烯粉配制物料，先将铝放入冶炼炉中加热至液态，再向冶炼炉中依次加入导电石墨烯粉，加入完成后进行混合搅拌得到石墨烯铝合金溶液，此时进行冶炼抽丝，得到石墨烯铝合金毛坯线。
b)采用拉丝机对石墨烯铝合金芯线进行拉伸，与此同时对石墨烯铝合金芯线进行精整处理，得到需要规格的且表面圆整的石墨烯铝合金芯。
拉伸加工成为直径为10mm石墨烯铝合金芯线，对其性能进行测试，具体参数如表1所示。
表1
c)铜带通过多组主动的水平辊轮和多组被动的立式辊轮交替排列的辊压形成管状，并将石墨烯铝合金芯线包覆在里面，并通过氩弧焊接将铜带缝焊接起来，形成φ12mm的石墨烯铜包铝合金母线，检测焊接的质量。
d)将石墨烯铜包铝合金母线放置在真空退火炉中进行退火，真空退火的温度为325℃，退火的时间为2.5小时，在真空炉中退火，防止石墨烯铜包铝合金母线表面被氧化。
e)对退火后的石墨烯铜包铝合金母线进行连轧成型加工；采用连轧加工。
f)对步骤e)所得的石墨烯铜包铝合金母线进行拉伸定型，使其达到各种规格的石墨烯铜包铝合金排线；本实施例中拉拔规格为(厚×宽)5mm×50mm的石墨烯铜包铝合金母线排线。
g)对石墨烯铜包铝合金排线进行收卷，形成料卷。
对采用上述配比生产的石墨烯铜包铝合金母线排线的性能进行测试，其具体参数如表2所示。
表2
实施例2
石墨烯铜包铝合金排线的生产方法，按照以下步骤进行：
a)按照97.6wt％的铝，1.8wt％的导电石墨烯粉配制物料，先将铝放入冶炼炉中加热至液态，再向冶炼炉中依次加入导电石墨烯粉，加入完成后进行混合搅拌得到石墨烯铝合金溶液，此时进行冶炼抽丝，得到石墨烯铝合金毛坯线。
b)采用拉丝机对石墨烯铝合金芯线进行拉伸，与此同时对石墨烯铝合金芯线进行精整处理，得到需要规格的且表面圆整的石墨烯铝合金芯线；本实施方式中得到直径为10mm石墨烯铝合金芯线，对其性能进行测试，所得性能参数如表3所示。
表3
c)铜带通过多组主动的水平辊轮和多组被动的立式辊轮交替排列的辊压形成管状，并将石墨烯铝合金芯线包覆在里面，并通过氩弧焊接将铜带缝焊接起来，形成φ12mm的石墨烯铜包铝合金母线，检测焊接的质量。
d)将石墨烯铜包铝合金母线放置在真空退火炉中进行退火，真空退火的温度为300℃，退火的时间为3小时，在真空炉中退火，防止石墨烯铜包铝合金母线表面被氧化。
e)对退火后的石墨烯铜包铝合金母线进行连轧成型加工。
f)对步骤e)所得的石墨烯铜包铝合金母线进行拉伸定型，使其达到各种规格线径的石墨烯铜包铝合金排线；本实施例中拉拔成规格为(厚×宽)5mm×50mm的石墨烯铜包铝合金母线排线；
g)对石墨烯铜包铝合金排线进行收卷，形成料卷。
采用实施例2生产出来的铜包铝排线的性能参数如表4所示。
实施例3
石墨烯铜包铝合金排线的生产方法，按照如下步骤进行：
a)按照97.6wt％的铝，1.3wt％的导电石墨烯粉配制物料，先将铝放入冶炼炉中加热至液态，再向冶炼炉中依次加入导电石墨烯粉，加入完成后进行混合搅拌得到石墨烯铝合金溶液，此时进行冶炼抽丝，得到石墨烯铝合金毛坯线。
b)采用拉丝机对石墨烯铝合金芯线进行拉伸，与此同时对石墨烯铝合金芯线进行精整处理，得到直径为10mm的且表面圆整的石墨烯铝合金芯。
c)对石墨烯铝合金芯线和铜管表面进行预处理：将石墨烯铝合金芯线、铜带或铜管放入电解槽中进行一次直流电解处理(惰性石墨为阴极，金属铜或铝为阳极)；电解后用水清洗表面；电流密度为0.04a/cm2，电解时间为2min；电解温度为25℃；电解槽内含有0.35mol/l的柠檬酸。将石墨烯铝合金芯线、铜管放入电解槽中进行二次直流电解处理(惰性石墨为阴极，金属铜或铝为阳极)；电解后用水清洗表面。电流密度为0.3a/cm2，电解时间为4s，电解温度为35℃。电解槽内含有2.5mol/l的盐酸。
将铜管套在石墨烯铝合金芯线外面，形成石墨烯铜包铝合金母线。
d)将石墨烯铜包铝合金母线放置在真空退火炉中进行退火，真空退火的温度为350℃，退火的时间为2小时，在真空炉中退火，防止石墨烯铜包铝合金母线表面被氧化。
e)对退火后的石墨烯铜包铝合金母线进行连轧成型加工；采用连轧加工。
f)对步骤e)所得的石墨烯铜包铝合金母线进行拉伸定型，对石墨烯铜包铝合金排线进行表面处理，使其达到各种规格的石墨烯铜包铝合金排线；本实施例中拉拔规格为(厚×宽)3mm×30mm的石墨烯铜包铝合金母线排线。
g)对石墨烯铜包铝合金排线进行收卷，形成料卷。
通过多次实验得到了石墨烯铜包铝合金母线排线的性能的范围，现将其与纯铜导线、铜包铝、铜包稀土铝和铜铌铝导线进行对比如表5所示。
表5
通过对比可以发现，石墨烯铜包铝合金母线排线不仅具有良好的导电性，还具有非常好的机械系能，也具有良好的经济效益。
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。