碳纳米管强化铝合金芯铝绞线及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种碳纳米管强化铝合金芯铝绞线及其制备方法。碳纳米管强化铝合金芯铝绞线的芯层由碳纳米管强化铝合金材料制成，碳纳米管强化铝合金材料按重量百分比包含：碳纳米管1%～8%，镁0.1～1%，锰0.1～1%，铬≤0.1%，镍≤0.1%，钛≤0.1%，铜≤0.1%，杂质≤0.01%，余量为铝。本发明通过纳米改性技术制备轻质高强碳纳米管改性铝合金材料，使其强度达到钢的水平，密度仅为钢的1/3，并作为承重芯材，外层再绞合硬铝线制备而成。本发明具备重量轻、电阻小、非磁性、弧垂小的特性，可大幅减少输电线路损耗，节约电能，增大输送容量，降低输电杆塔高度，减少钢材使用量，达到节能和增容的目的。
【专利说明】碳纳米管强化铝合金芯铝绞线及其制备方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及输电用导线，具体地指一种碳纳米管强化铝合金芯铝绞线及其制备方法。
【背景技术】
[0002]我国幅员辽阔，发电资源主要集中在西部地区，而经济发达地区，即电力主要消费区域地处东部。为了满足经济发达地区的高负荷用电需求，必须进行远距离、大容量电力输送。由于输电线路长、线损大，我国每年在输电线路上的电能损失非常惊人。截止至2012年，全国110千伏及以上输电线路长度达到107万千米，按照2012年电网输电线路损失率6.5%来计算，仅2012年我国输电线路电能损失将达到3048亿千瓦时，直接经济损失高达1829亿元。依据国家电网公司“十二五”规划，全国110千伏及以上输电线路长度到“十二五”末期将超过133万千米，且随着“十三五”规划中输电线路长度的增长(预计2020年末将达到176万千米)，电能损失会越来越大，输电线路的节能需求极为迫切。与此同时，尽管我国输电线路的长度以很高的比率增长，但城市化规模的不断扩大和工业化进程的发展导致全社会用电需求量与电力供应量仍存在较大缺口，受输电线路电力输送能力的制约，我国电力供应已远远不能满足电力需求的快速增长。据2011年统计数据显示，我国电荒蔓延24个省市，全国电力供需总体偏紧，用电高峰期全网最大电力缺口高达3000万千瓦。为了提高输电线路电力输送能力，促使全国电力供需平衡，保障全社会用电，输电线路增容尤为重要。因此，随着国民经济的快速发展，迫切要求研制新型大容量节能导线，满足输电线路节能和增容的需求。
[0003]现阶段的输电线路普遍采用钢芯铝绞线作为架空输电导线，因其具有较高的导电率和抗拉强度、结构简单、架设与维护方便、线路造价低等优点，在输电线路中应用已有悠久的历史。然而，随着国民经济的发展，用电负荷逐年增长，传统钢芯铝绞线的输送容量难以满足大负荷用电需求。
[0004]为了适应电网的发展需求，碳纤维复合芯铝绞线和耐热铝合金导线等大容量导线成为近年来的研究热点。
[0005]碳纤维复合芯铝绞线是基于碳纤维复合芯轻质、高强、耐热的特性，在相同外径的条件下可绞合更多导电铝材，同时提高导线工作温度，进而实现线路增容，同时，碳纤维复合芯是非磁性材料，不会产生磁滞损耗和热效应，因而可降低电能损耗；然而，由于碳纤维复合芯的制造技术长期被国外垄断，价格昂贵，加之其韧性较差，在运输、施工和维护过程中极为不便，因而限制了碳纤维复合芯铝绞线的推广应用。
[0006]耐热铝合金导线主要是由于添加锆等金属元素而具备优异的耐热特性，可以大幅度提升导线的工作温度，进而达到线路增容的目的；然而，由于锆等金属元素的存在，其导电率较低，且随着导线运行温度的提升，电阻增大，线路损耗相应增多，同时容易导致连接金具的氧化甚至损坏，需要设计和加工相应的新型耐热金具与之连接，此外，耐热铝合金导线高温运行时弧垂较大，需要提高杆塔的高度与之匹配，从而导致耐热铝合金导线的应用 受到制约。
【发明内容】
[0007]本发明的目的就是要克服现有技术所存在的不足，提供一种碳纳米管强化铝合金芯铝绞线及其制备方法。
[0008]为实现上述目的，本发明碳纳米管强化铝合金芯铝绞线，包括芯层和包覆在芯层外的铝线层，所述芯层由碳纳米管强化铝合金材料制成，其中，所述碳纳米管强化铝合金材料按重量百分比包含如下成分:碳纳米管1%?8%，镁0.1?1%，锰0.1?1%，铬< 0.1%，镍(0.1%，钛< 0.1%，铜< 0.1%，其他不可避免杂质< 0.01%，余量为铝。
[0009]本发明还提供了上述碳纳米管强化铝合金芯铝绞线的制备方法:
[0010]I)将需要制备碳纳米管强化铝合金材料的成分配料按比例称量，备用；
[0011]2)将上述成分配料混合放入球磨机中进行球磨，球磨时间5?14h，球料质量比为15?25:1，大小球质量比为1:1?3，得到球磨粉末；
[0012]3)将步骤2)所得球磨粉末在温度为540?620°C、压力为6?14T下真空热压10?20h，制得碳纳米管强化铝合金坯料；
[0013]4)将步骤3)所得坯料在500?580°C加热，然后在压力为8?20T下热挤压，得到直径为3?IOmm的碳纳米管强化铝合金管材；
[0014]5)将步骤4)所得管材通过轧制6?13道次，得到直径为2?6mm的碳纳米管强化铝合金芯铝绞线所需的芯层线材；
[0015]6)根据导线不同截面积的需求，在芯层外包覆铝线，绞制成碳纳米管强化铝合金芯铝绞线。
[0016]本发明在步骤2)进行球磨中，还添加有助磨剂，所述助磨剂优选为石蜡、聚乙二醇、聚乙烯醇中的一种或几种。所述助磨剂的添加量为，按每克碳纳米管强化铝合金材料成分配料加入0.1?0.8ml助磨剂。
[0017]本发明通过纳米改性技术制备轻质高强碳纳米管改性铝合金材料，使其强度达到钢的水平，密度仅为钢的1/3，并采用其作为承重芯材，外层绞合硬铝线制备而成。新型高强铝合金芯铝绞线具备重量轻、电阻小、非磁性、弧垂小等特性，可大幅减少输电线路损耗，节约电能，增大输送容量，降低输电杆塔高度，减少钢材使用量，达到节能和增容的目的。
[0018]与传统的钢芯铝绞线相比，在相同外径的条件下高强铝合金芯铝绞线具有明显优势:首先，由于承重芯材轻质高强的特性，导线自重可减轻20%以上，既可以增大档距，也可以优化输电杆塔结构，节约杆塔钢材使用量；其次，承重芯材的基体是铝合金，其导电率是钢芯的数倍，可以降低导线的电阻10%以上，避免磁损耗，既能大幅度减少输电线路损耗，又能提高导线的输送容量；再次，导线承重芯材轻质高强纳米改性铝合金材料的制备采用纳米改性技术，其超高强度藉由纳米材料在晶界处起到的“钉扎”作用，同时可以阻碍基体晶粒的再结晶，提高基体材料的耐热性能，承重芯材较好的耐热性能将允许导线在更高温度下使用，从而提高导线的载流量。
[0019]而与碳纤维复合芯铝绞线相比，本发明碳纳米管强化铝合金芯铝绞线的承重芯材在提高强度的同时仍保持铝合金基体的高韧性，因而较碳纤维复合芯铝绞线更加有利于运输、安装、维护。[0020]本发明的有益效果:本发明所生产的铝合金芯铝绞线，与同等截面的导线相比，质量大大减轻，降低施工和运行维护成本；与同等质量的导线相比，芯材外可以包覆更多的铝线，有效地提高了载流量和额定抗拉强度，满足了大截面、大容量、远距离输电的效率。本发明在保证抗拉强度的同时具有一定的塑性，因此，在运输、安装和维护中操作简便、不易损坏。
【具体实施方式】
[0021]为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但它们不对本发明构成限定。
[0022]实施例1
[0023]I)将需要制备碳纳米管强化铝合金材料的成分配料按如下重量百分比称量备用:碳纳米管4%，镁0.4%，锰0.7%，铬0.1%，镍0.01%,钛0.1%，铜0.01%，其他不可避免杂质(0.01%，余量为铝；
[0024]2)将上述配料放入球磨机中，添加石蜡进行球磨，按每克碳纳米管强化铝合金材料成分配料加入0.5ml石腊,球磨时间12h,转速600r/min,球料质量比为15:1,大小球质量比为1:3，得到球磨粉末；
[0025]3)将步骤2)所得球磨粉末在温度为590°C、压力为IOT下真空热压15h，制得碳纳米管强化铝合金坯料；
[0026]4)将步骤3)所得坯料在560°C加热，然后在压力为15T下热挤压，得到直径为5mm的碳纳米管强化铝合金管材；
[0027]5)将步骤4)所得管材通过轧制12道次，得到直径为3mm的碳纳米管强化铝合金芯铝绞线所需的芯层线材；
[0028]6)在芯层外包覆铝线，绞制成碳纳米管强化铝合金芯铝绞线。
[0029]实施例2
[0030]I)将需要制备碳纳米管强化铝合金材料的成分配料按如下重量百分比称量备用:碳纳米管5%，镁0.6%，锰0.4%，铬0.08%,镍0.01%,钛0.09%,铜0.01%,其他不可避免杂质(0.01%，余量为铝。
[0031]2)将上述配料放入球磨机中，添加聚乙二醇进行球磨，按每克碳纳米管强化铝合金材料成分配料加入0.4ml聚乙二醇,球磨时间12h,转速600r/min,球料质量比为20:1,大小球质量比为1:2，得到球磨粉末；
[0032]3)将步骤2)所得球磨粉末在温度为600°C、压力为12T下真空热压10h，制得碳纳米管强化铝合金坯料；
[0033]4)将步骤3)所得坯料在520°C加热，然后在压力为18T下热挤压，得到直径为6mm的碳纳米管强化铝合金管材；
[0034]5)将步骤4)所得管材通过轧制10道次，得到直径为2mm的碳纳米管强化铝合金芯铝绞线所需的芯层线材；
[0035]6)在芯层外包覆铝线，绞制成碳纳米管强化铝合金芯铝绞线。
[0036]实施例3
[0037]I)将需要制备碳纳米管强化铝合金材料的成分配料按如下重量百分比称量备用:碳纳米管5%，镁0.8%，锰0.5%，铬0.08%,镍0.01%,钛0.08%,铜0.01%,其他不可避免杂质(0.01%，余量为铝。
[0038]2)将上述配料放入球磨机中，添加聚乙烯醇进行球磨，按每克碳纳米管强化铝合金材料成分配料加入0.6ml聚乙烯醇,球磨时间8h,转速800r/min,球料质量比为25:1，大小球质量比为1:3，得到球磨粉末；
[0039]3)将步骤2)所得球磨粉末在温度为610°C、压力为8T下真空热压12h，制得碳纳米管强化铝合金坯料；
[0040]4)将步骤3)所得坯料在550°C加热，然后在压力为12T下热挤压，得到直径为4mm的碳纳米管强化铝合金管材；
[0041]5)将步骤4)所得管材通过轧制13道次，得到直径为4mm的碳纳米管强化铝合金芯铝绞线所需的芯层线材；
[0042]6)在芯层外包覆铝线，绞制成碳纳米管强化铝合金芯铝绞线。
[0043]将实施实例I~3制成的碳纳米管强化铝合金芯铝绞线与电工纯铝线性能对比，性能测试结果如表1所示。
[0044]表1性能测试结果
【权利要求】
1.一种碳纳米管强化铝合金芯铝绞线，其特征在于:它包括芯层和包覆在芯层外的铝线层，所述芯层由碳纳米管强化铝合金材料制成，其中，所述碳纳米管强化铝合金材料按重量百分比包含如下成分:碳纳米管1%~8%，镁0.1~1%，锰0.1~1%，铬≤0.1%，镍≤0.1%，钛< 0.1%，铜< 0.1%，其他不可避免杂质< 0.01%，余量为铝。
2.一种根据权利要求1所述碳纳米管强化铝合金芯铝绞线的制备方法，其特征在于: 1)将需要制备碳纳米管强化铝合金材料的成分配料按比例称量，备用； 2)将上述成分配料混合放入球磨机中进行球磨，球磨时间5~14h，球料质量比为15~25 大小球质量比为1:1~3,得到球磨粉末； 3)将步骤2)所得球磨粉末在温度为540~620°C、压力为6~14T下真空热压10~20h，制得碳纳米管强化铝合金坯料； 4)将步骤3)所得坯料在500~580°C加热，然后在压力为8~20T下热挤压，得到直径为3~IOmm的碳纳米管强化铝合金管材； 5)将步骤4)所得管材通过轧制6~13道次，得到直径为2~6mm的碳纳米管强化铝合金芯铝绞线所需的芯层线材； 6)根据导线不同截面积的需求，在芯层外包覆铝线，绞制成碳纳米管强化铝合金芯铝绞线。
3.根据权利要求2所述碳纳米管强化铝合金芯铝绞线的制备方法，其特征在于:在步骤2)进行球磨中，还添加有助磨剂，所述助磨剂为石蜡、聚乙二醇、聚乙烯醇中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述碳纳米管强化铝合金芯铝绞线的制备方法，其特征在于:所述助磨剂的添加量为， 按每克碳纳米管强化铝合金材料成分配料加入0.1~0.8ml助磨剂。
【文档编号】H01B1/02GK103632751SQ201310664852
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】王利民, 穆广祺, 董勇军, 陈胜男, 何卫, 汤超 申请人:国家电网公司, 国网山西省电力公司, 南京南瑞集团公司, 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司, 国网山西省电力公司电力科学研究院