一种金属复合线杆材及其制备方法

本发明涉及一种金属复合线杆材及其制备方法，属于线材制备。

背景技术：

1、线材作为导电、信号传输的重要载体，在集成电路封装、电子通讯、连接器、音视频及电力传输等领域得到了广泛应用。随着5g、大数据、工业互联网等“新基建”工程大力推进，线材用量急剧增加，其常用材料主要有金、银和铜等。

2、由于铜基线材具有优良的传导性能和力学性能，且与金/银材料相比，成本优势显著，应用前景广阔。随着现代电子设备和集成电路的复杂性和功能需求不断增加，对线材的性能需求不断提高。为了提高铜基线材的导电性，可以在线材表面涂覆石墨烯层，得到复合金属线，然后对复合金属线进行绞合，得到绞合线材，从而提高铜基线材的强度和导电性。例如，中国专利文献cn114472579a公开了一种金属基复合材料及其制备方法，包括以下步骤：将至少两股复合金属线进行绞合得到绞合线材，再将绞合线材进行连续挤压成型；所述复合金属线包括金属基线和涂覆在金属基线表面的石墨烯层，但是该方法制备的绞合线材中的石墨烯层有部分裸露在外，造成石墨烯层易脱落，并且石墨烯层的强度偏低，影响产品使用寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种金属复合线杆材的制备方法，可以解决目前制备的含有石墨烯层的绞合线材存在使用寿命较短的问题。

2、本发明的另一个目的在于提供一种金属复合线杆材，可以解决目前的绞合线材中的石墨烯层易脱落和强度较低的问题。

3、为了实现上述目的，本发明的金属复合线杆材的制备方法所采用的技术方案为：

4、一种金属复合线杆材的制备方法，包括以下步骤：在绞合线材的外周面上包覆金属熔体，冷却凝固，得到金属复合线杆材；所述绞合线材由至少两股金属基线进行绞合得到或者由至少两股复合金属线进行绞合得到，所述复合金属线包括金属基线和包覆在所述金属基线周向表面的石墨烯层；所述金属熔体为铝、铝合金、锡、锡合金、镁或镁合金。

5、本发明的金属复合线杆材的制备方法，通过在绞合线材的外周面上包覆金属熔体，然后冷却凝固，得到由金属保护层包覆的绞合线材，包覆的金属层不仅可以起到增强增导的作用，又可以起到防止绞合线表面石墨烯涂层脱落的作用。

6、优选地，所述金属基线为铜或铜合金。纯铜线材相较于其他铜基线材具有更好的导电性，能够显著提高制得的材料的导电性。铜合金为铜银合金，铜银合金中的银含量为1％～20％，例如，可以采用市售的cu-1ag、cu-2ag、cu-4ag和cu-20ag线材。

7、优选地，所述金属基线的径向截面积为0.00785～0.785mm2。例如，金属基线的径向截面积为0.19625mm2。金属基线的径向截面积过大会导致动力传输困难，在某些应用领域中，例如，传输电能或信号领域，如果金属基线的径向截面积过大，会导致电流或信号的传输受到限制，从而影响系统的正常运行。如果金属基线的截面积过小，会导致导热性能受到限制，导致热量在基线中积聚，可能导致系统过热。

8、本发明中，金属基线的径向截面的形状为圆形、方形、椭圆形等。例如，所述金属基线的径向截面为圆形，所述金属基线的直径为0.1～1mm。

9、优选地，所述复合金属线由包括以下步骤的方法制得：在金属基线的周向表面涂覆石墨烯分散液，然后进行干燥，得到复合金属线。本发明中的复合金属线的制备方法可以参考中国专利文献cn113058818b中的实施例2，本发明中所用的石墨烯分散液可以采用现有技术中的石墨烯分散液，例如，中国专利文献cn113058818b中的石墨烯涂渡液。

10、优选地，所述石墨烯层的厚度为30～100nm。石墨烯层的厚度过小会造成以下问题：1、石墨烯作为一个单原子厚度的材料，具有极高的电子迁移率和良好的导电性能；但是，当石墨烯层的厚度较小时，由于电流只能通过单层的石墨烯进行传输，电流密度会受到限制，这会导致电流传输的能力受到限制。2、石墨烯的机械特性优异，但其单层结构使得其在垂直方向上的机械稳定性相对较差。当石墨烯层非常薄时，其容易受到外界压力或拉伸力的影响，导致其机械性能下降，容易发生变形或破裂。石墨烯层的厚度过大也会带来一些问题：1、石墨烯的电子迁移率受到层数影响，随着层数的增加，电子迁移率会逐渐降低；当石墨烯层数较多时，电子传输受到层与层之间相互作用的影响，导致电子迁移率下降，降低了导电性能。2、石墨烯的单层结构相对较容易制备，但当厚度逐渐增加时，制备工艺将变得更加复杂和昂贵。此外，厚石墨烯层的生产也容易引入缺陷和杂质，进一步降低其性能和应用潜力。

11、绞合线材的外周面上包覆的金属熔体的厚度决定了最终包覆在绞合线材的外周面上的金属保护层的厚度，金属保护层的厚度过小，无法有效改善复合金属线的强度，金属保护层的厚度过大，会导致复合金属线的导电性较差。

12、优选地，所述金属熔体为铝，金属熔体的温度为690～720℃；所述金属熔体为锡，金属熔体的温度为285～315℃；所述金属熔体为镁，金属熔体的温度为690～720℃。金属熔体的温度过低，造成金属熔体的粘度偏大，流动性差，不易在绞合线材的外周面上包覆，金属熔体的温度过高，会引起热应力，导致线材或其他材料变形、破裂或损坏。高温条件下，金属熔体很容易发生反应，与周围环境中的氧气、湿气或其他杂质发生氧化、腐蚀或其他化学反应，导致金属质量的损失或品质下降。

13、为了同时兼顾金属复合线杆材的导电性和机械强度，优选地，在绞合线材的外周面上包覆的金属熔体冷却凝固后形成的保护层的厚度为1～2mm。

14、优选地，所述冷却是将外周面上包覆金属熔体后的绞合线材在5～15min内冷却至室温。较快的冷却速率会导致金属保护层中的晶粒较小，这对于提高金属保护层的强度和硬度是有利的。小晶粒尺寸有助于提高材料的强化效果，提高其抗拉强度和耐磨性能。此外，较快的冷却速率还可以减少晶界的相关缺陷，提高材料的韧性。然而，过快的冷却速率会导致冷却过程中产生过多的残余应力和变形，对产品的尺寸稳定性和整体性能产生负面影响。而冷却速率过慢会导致生产效率降低，并且会导致晶粒生长过大，从而影响金属保护层的性能。

15、为了便于连续规模化生产，本发明中的金属复合线杆材可以采用连铸成型设备，例如，中国专利文献cn104148598a公开的包覆材料固/液复合连铸成型设备或者中国专利文献cn114247859a中公开的连铸成型设备。采用连铸成型设备，具有生产效率高、可以实现连续大规模生产的优点，同时可以保证产品质量的一致性和稳定性，减少了人为因素造成的误差，能够提高材料的紧实度，减少空气夹杂。

16、优选地，所述绞合线材由12～60股金属基线进行绞合得到；所述金属基线的直径为0.1～0.5mm。实验结果表明，当金属基线的股数为12～60时，制备得到的金属复合线杆材具有较好的导电性。

17、本发明的金属复合线杆材所采用的技术方案为：

18、一种金属复合线杆材，包括绞合线材和包覆所述绞合线材的外周面上的保护层，所述保护层为铝、铝合金、锡、锡合金、镁或镁合金；所述绞合线材由至少两股金属基线进行绞合得到或者由至少两股复合金属线进行绞合得到，所述复合金属线包括金属基线和包覆在所述金属基线周向表面的石墨烯层。

19、本发明的金属复合线杆材，外层是具有起到增强增导作用的低熔点金属保护层，内部是具有纤维组织的复合金属绞合线，金属保护层可以起到增强增导的作用，又可以起到防止绞合线表面石墨烯涂层脱落的作用，本发明的金属复合线杆材同时具有良好的强度和导电性。

20、优选地，金属复合线杆材中的金属基线为铜或铜合金。

21、优选地，金属复合线杆材中的金属基线的径向截面积为0.00785～0.785mm2。例如，金属复合线杆材中的金属基线的径向截面积为0.19625mm2。

22、优选地，金属复合线杆材中，包覆在金属基线周向表面的石墨烯层的厚度为30～100nm。

23、优选地，金属复合线杆材中的复合金属线由包括以下步骤的方法制得：在金属基线的周向表面涂覆石墨烯分散液，然后进行干燥，得到复合金属线。

24、优选地，所述保护层的厚度为1～2mm。例如，所述保护层的厚度为1mm。

25、本发明中，保护层的厚度等于金属复合线杆材的半径与绞合线材的最大外半径的差值。

26、优选地，所述金属复合线杆材采用如上所述的金属复合线杆材的制备方法制备得到。