阅读说明：本技术 石墨烯铜镁合金接触线及其制备方法 (Graphene copper-magnesium alloy contact wire and preparation method thereof ) 是由 张海平 李炯利 孙庆泽 曹振 *** 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种石墨烯铜镁合金接触线的制备方法,包括以下步骤：提供石墨烯铜镁的合金粉末；采用热等静压将所述石墨烯铜镁的合金粉末烧结为石墨烯铜镁合金锭坯；将所述石墨烯铜镁合金锭坯制成杆坯；将所述杆坯进行连续挤压,得到石墨烯铜镁合金杆材；以及按照预定尺寸和形状对所述石墨烯铜镁合金杆材进行冷拉拔,得到石墨烯铜镁合金接触线；其中,所述石墨烯以粉末形式加入,在所述石墨烯铜镁的合金粉末中,石墨烯的质量百分含量为0.01％～0.20％。本发明还公开上述方法制备的石墨烯铜镁合金接触线。石墨烯铜镁合金接触线的拉强度为520～580MPa,导电率为75～80％IACS,能同时满足更高速铁路对接触网导线线高强度和高导电率的要求,有效降低电力传输损耗。(The invention relates to a preparation method of a graphene copper-magnesium alloy contact wire, which comprises the following steps: providing alloy powder of graphene, copper and magnesium; sintering the graphene copper magnesium alloy powder into a graphene copper magnesium alloy ingot blank by adopting hot isostatic pressing; preparing the graphene copper-magnesium alloy ingot blank into a bar blank; continuously extruding the rod blank to obtain a graphene copper magnesium alloy rod material; performing cold drawing on the graphene copper magnesium alloy rod material according to a preset size and shape to obtain a graphene copper magnesium alloy contact line; the graphene is added in a powder form, and the mass percentage of the graphene in the graphene copper magnesium alloy powder is 0.01-0.20%. The invention also discloses the graphene copper-magnesium alloy contact line prepared by the method. The tensile strength of the graphene copper-magnesium alloy contact line is 520-580 MPa, the conductivity of the graphene copper-magnesium alloy contact line is 75-80% IACS, the requirements of a higher-speed railway on the high strength and the high conductivity of the contact network conductor line can be met, and the power transmission loss is effectively reduced.)

石墨烯铜镁合金接触线及其制备方法

技术领域

本发明涉及供电类导线领域，具体涉及一种石墨烯铜镁合金接触线及其制备方法。

背景技术

接触线也称为电车线，是电气化铁道接触网中重要的组成部分，接触线通过与电力机车上的电弓滑板滑动摩擦直接向电力机车输送电流，其性能直接影响电力机车的受流质量和机车的安全运行。接触线是所有供电类导线中工作环境最恶劣的一种，正常工作时需要承受冲击、振动、温差变化、环境腐蚀、磨耗、电火花烧蚀和极大的工作张力，因此其性能直接影响到高速列车的安全运行。为了满足电气化铁道接触网需要，接触线一般来说采用铜、铜银合金、高强度铜银合金、铜锡合金、铜镁合金、高强度铜镁合金等材料进行制备。

目前，铜合金接触线材料存在的主要问题是高强度与高导电性的矛盾。例如，纯铜接触线导电率可达97％IACS，但其抗拉强度仅有360MPa；而铜镁合金接触线的强度可达530MPa，但其导电率却大幅降低，仅有65％IACS。每公里纯铜接触线的线损耗功率约为82.5kW，而每公里高强的铜镁合金接触线的线损耗功率高达101.9kW。因此，传统的铜镁合金接触线难以同时兼顾高强度与高导电性。

因此，如何得到一种同时满足高强度与高导电率要求的新型的接触线，是高速铁路接触线导线材料所面临的关键技术问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种同时具备高强度与高导电率的石墨烯铜镁合金接触线及其制备方法。

本发明提供一种石墨烯铜镁合金接触线的制备方法，包括以下步骤：

提供石墨烯铜镁的合金粉末，所述石墨烯以粉末形式加入；

采用热等静压将所述石墨烯铜镁的合金粉末烧结为石墨烯铜镁合金锭坯；

将所述石墨烯铜镁合金锭坯制成杆坯；

将所述杆坯进行连续挤压，得到石墨烯铜镁合金杆材；以及

按照预定尺寸和形状对所述石墨烯铜镁合金杆材进行冷拉拔，得到石墨烯铜镁合金接触线；

其中，所述石墨烯与其他组分以粉末形式混合，在所述石墨烯铜镁的合金粉末中，所述石墨烯的质量百分含量为0.01％～0.20％。

在其中一个实施例中，在所述石墨烯铜镁的合金粉末中，石墨烯的质量百分含量为0.05％～0.15％。

在其中一个实施例中，在所述石墨烯铜镁的合金粉末中，镁的质量百分含量为0.05％～1.0％。

在其中一个实施例中，所述提供石墨烯铜镁的合金粉末包括：

在非氧化气氛下，通过高压流体将铜镁合金熔体雾化，选出粒度10μm～70μm之间的粉末，得到铜镁预合金粉末；和

将所述铜镁预合金粉末与石墨烯粉末进行混合，获得石墨烯铜镁的合金粉末。

在其中一个实施例中，所述将所述铜镁预合金粉末与石墨烯粉末进行混合，获得石墨烯铜镁的合金粉末，包括：

将所述铜镁预合金粉末与所述石墨烯粉末加到溶剂中，依次进行超声和搅拌或者同时进行超声搅拌，得到混悬液；和

将所述混悬液进行过滤，将过滤得到的固体在真空条件下进行烘干或在非氧化气氛下吹干，获得所述石墨烯铜镁的合金粉末。

在其中一个实施例中，其中，所述烘干的温度为50℃～70℃，在非氧化气氛下吹干的温度为150℃～220℃。

在其中一个实施例中，将所述铜镁预合金粉末替换为铜单质粉末和镁单质粉末。

在其中一个实施例中，所述溶剂为选自去离子水、无水乙醇、乙醇水溶液、丙酮和N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述超声的功率为2kW～3kW，超声的功率为20kHz～25kHz，超声的时间为10min～30min。

在其中一个实施例中，所述热等静压的压力为120MPa～140MPa，温度为800℃～900℃，热等静压时间为3h～5h。

在其中一个实施例中，所述将所述石墨烯铜镁合金锭坯制成杆坯包括：石墨烯铜镁合金锭坯在800～920℃的温度下进行挤压，获得杆坯。

一种石墨烯铜镁合金接触线，所述石墨烯铜镁合金接触线采用以上任一所述的制备方法得到。

本发明中的石墨烯铜镁合金接触线的制备方法，以石墨烯铜镁的合金粉末为原料，经过热等静压烧结、连续挤压以及冷拉拔等工艺过程，得到石墨烯铜镁合金接触线。所述得到的石墨烯铜镁合金接触线的拉强度为520～580MPa，导电率为75～80％IACS，能同时满足更高速铁路对接触线高强度和高导电率的要求，有效降低电力传输损耗。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合较佳实施例对本发明进行更全面的描述。本发明还可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明实施例中，提供一种石墨烯铜镁合金接触线的制备方法，包括以下步骤：

S100：提供石墨烯铜镁的合金粉末；

S200：采用热等静压将所述石墨烯铜镁的合金粉末烧结为石墨烯铜镁合金锭坯；

S300：将所述石墨烯铜镁合金锭坯制成杆坯；

S400：将所述杆坯进行连续挤压，得到石墨烯铜镁合金杆材；

S500：按照预定尺寸和形状对所述石墨烯铜镁合金杆材进行冷拉拔，得到石墨烯铜镁合金接触线；

其中，所述石墨烯与其他组分以粉末形式混合，在所述石墨烯铜镁的合金粉末中，石墨烯的质量百分含量为0.01％～0.20％。

本发明实施例中的石墨烯铜镁合金接触线的制备方法，以石墨烯铜镁的合金粉末为原料，其中所述石墨烯与其他组分以粉末形式混合，并且石墨烯的质量百分含量为0.01％～0.20％。其中，采用热等静压进行烧结，实现了石墨烯铜镁合金锭坯的高致密成型，随后采用杆坯制备、连续挤压以及冷拉拔等工艺步骤保证了得到的石墨烯铜镁合金接触线具有优异的力学性能和高导电率。在本发明实施例中，通过以上工艺步骤的结合，虽然在石墨烯铜镁的合金粉末中，石墨烯的质量百分含量只有0.01％～0.20％，但是可以充分发挥了其对于石墨烯铜镁合金接触线的强度和导电率的贡献。

在传统的石墨烯铜合金接触线的制备方法有采用将石墨烯粉末加入到熔融状态的铜合金的中，由于石墨烯粉末会浮在熔融的铜合金的表面，而很难进入到铜合金中。因此，石墨烯与铜合金无法均匀混合，从而导致石墨烯对于接触线的整体性质的增强作用大幅减弱。

在本发明中，与其他组分以粉末形式混合，从而保证了石墨烯铜镁合金接触线中各组分的均一性，从而在较低的石墨烯的用量的情况下，即可实现石墨烯对于接触线的整体性能的增强作用。

本发明中，采用的是粉末状态的石墨烯，优选的采用的是物理剥离得到的石墨烯，其中石墨烯的片径为5～15μm，层数≤5层。

在一实施例中，在所述石墨烯铜镁的合金粉末中，石墨烯的质量百分含量为0.05％～0.15％。

在一实施例中，在所述石墨烯铜镁的合金粉末中，镁的质量百分含量为0.05％～1.0％。

在本发明实施例中，镁也能起到增加接触线强度的作用，但其对电导率影响较大，本实施例将镁的含量控制在0.05％～1.0％。优选的，镁质量百分含量控制在0.05％～0.5％，从而在保证得到的石墨烯铜镁合金接触线的综合性能较高。即保证了接触线的较高强度的同时，具有较高的导电率。

在一实施例中，在所述石墨烯铜镁的合金粉末中，石墨烯的质量百分含量为0.01％～0.20％，镁的质量百分含量为0.05％～1.0％，余量为铜。进一步的，在所述石墨烯铜镁的合金粉末中，石墨烯的质量百分含量为0.05％～0.15％，镁的质量百分含量为0.05％～0.5％，余量为铜。

在一实施例中，在所述的石墨烯铜镁的合金粉末中，其中石墨烯与镁的质量比为1:100～4:1。优选的，石墨烯与镁的质量比为1:20～3:1。进一步优选的，石墨烯与镁的质量比为1:8～3:1。

本申请实施例中，限定了石墨烯与镁的质量比，通过石墨烯与镁元素的共同作用，从而实现高强度和高导电率的匹配。

其中步骤S100提供石墨烯铜镁的合金粉末，可以是铜镁合金的粉末与石墨烯粉末进行混合得到；也可以是将铜单质粉末、镁单质粉末和石墨烯粉末进行混合。

在一实施例中，步骤S100提供石墨烯铜镁的合金粉末，可以包括：

S110：在非氧化气氛下，通过高压流体将铜镁合金熔体雾化，选出粒度10μm～70μm之间的粉末，得到铜镁预合金粉末；

S120：将所述铜镁预合金粉末与石墨烯粉末进行混合，获得石墨烯铜镁的合金粉末。

在本发明实施例中，高压流体指的是气体压力为2～10个大气压的非氧化气体，例如所述非氧化气体可以为氮气或氩气。

在一实施例中，对步骤S120进行了进一步的优化，其中步骤S120将所述铜镁预合金粉末与石墨烯粉末进行混合，获得石墨烯铜镁的合金粉末包括：

S121：将所述铜镁预合金粉末与所述石墨烯粉末加到溶剂中，依次进行超声和搅拌或者同时进行超声搅拌，得到混悬液；

S122：将所述混悬液进行过滤，将过滤得到的固体在真空条件下进行烘干或在非氧化气氛下吹干，获得所述石墨烯铜镁的合金粉末。

在本发明实施例中，其中在将所述铜镁预合金粉末与所述石墨烯粉末加到溶剂中得到混悬液的过程中，引入了超声使得粉末在溶剂中的混合更加均匀，避免石墨烯的团聚。在操作上来说，可以先进行超声，然后再进行搅拌；或者同时搅拌的同时进行超声。

在一实施例中，步骤S121中超声时间为10min～30min，超声功率为2kW～3kW，超声的功率为20kHz～25kHz，搅拌时间为2h～3h。

步骤S122中，真空条件下进行烘干的烘干温度为50℃～70℃，烘干时间为15h～20h；如果是在非氧化气氛下吹干，吹干的温度为150℃～220℃，时间为0.5min～5min。因此，采用吹干的方式进行干燥，用时更短，可以缩短处理周期。

在一实施例中，其中的溶剂为极性溶剂，极性溶剂可以促进铜镁预合金粉末与石墨烯粉末的均匀混合。

进一步的，极性溶剂选自去离子水、无水乙醇、丙酮或N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种的混合物。优选的，在采用以上溶剂的情况下，可以促进铜镁预合金粉末与石墨烯粉末的均匀混合，即不需要添加表面活性剂，便可实现铜镁预合金粉末与石墨烯粉末的充分混合。

进一步的，所述溶剂为去离子水、无水乙醇或者是两者的混合物。去离子水和无水乙醇的具有成本低、毒性小的优势。

在本发明的实施例中，采用超声的引入对使得最终得到的石墨烯铜镁的合金粉末中，石墨烯的分散更加均匀。进一步的，其中超声的条件优选的为超声的功率为2kW～3kW，超声的功率为20kHz～25kHz，超声的时间为10min～30min。

在一实施例中，步骤S122所述混悬液进行过滤，将过滤得到的固体在真空条件下进行烘干，获得所述石墨烯铜镁的合金粉末，可以替换为：

S122’：所述混悬液进行过滤，将过滤得到的固体采用温度为150℃～220℃，非氧化气氛下吹干，获得所述石墨烯铜镁的合金粉末。其中非氧化气氛可以为惰性气体或者氮气等。

采用步骤S122’进行干燥，可以降低该干燥需要的时间，干燥时间为0.5min～5min。

在一实施例中，所述步骤S100提供石墨烯铜镁的合金粉末，还可以为包括：

S110’：将铜单质粉末、镁单质粉末和石墨烯粉末加到溶剂中，依次进行超声和搅拌或者同时进行超声搅拌，得到混悬液；

S120’：所述混悬液进行过滤，将过滤得到的固体在真空条件下进行烘干，获得所述石墨烯铜镁的合金粉末。

本一实施例中，在步骤S200采用热等静压将所述石墨烯铜镁的合金粉末烧结为石墨烯铜镁合金锭坯。其中热等静压在的压力为120MPa～140MPa，温度为800℃～900℃的条件下进行，热等静压时间为3h～5h。

对于粉末烧结得到石墨烯铜镁合金锭坯的过程优选的采用热等静压的方式进行烧结。热等静压烧结的方法，能实现99％以上的致密度，有效实现石墨烯铜镁合金的成型。减少由于内部孔洞造成的材料拉伸强度和导电率降低。同时热等静压烧结可以进一步避免石墨烯的团聚，保证了石墨烯增强效果的发挥。

在本发明实施例中，步骤S300将所述石墨烯铜镁合金锭坯制成杆坯，其中由锭坯制备杆坯的过程可以通过多种方式实现。例如可以通过线切割或者车削加工工艺将石墨烯铜镁合金锭坯切割为杆坯；也可以采用挤压工艺，将石墨烯铜镁合金锭坯挤压为杆坯。

在一实施例中，其中石墨烯铜镁合金锭坯在800～920℃条件下挤压，获得直径15～30mm杆坯。随后杆坯送入连续挤压机，在摩擦力作用下，发生大塑性变形，获得直径20～32mm石墨烯铜镁合金杆材。

在一实施例中，步骤S500中，按照预定尺寸和形状对所述石墨烯铜镁合金杆材进行6-15道次的冷拉拔，得到石墨烯铜镁合金接触线。

本发明实施例中还提供一种石墨烯铜镁合金接触线，所述石墨烯铜镁合金接触线采用以上制备方法得到。

实施例1

(1)在大气环境条件下，往1200℃的铜熔体中，加入镁锭(铜熔体与镁锭的质量比为995:4)，得到铜镁合金熔体，随后将铜镁合金熔体转入雾化炉，在氮气保护条件下，用高压氮气将熔体雾化，再经过旋风分级，选出粒度位于10μm～70μm间的粉末，得到铜镁预合金粉末。

(2)将999质量份的铜镁预合金粉末与1质量份的石墨烯粉末在酒精中进行超声15min，超声功率2kW，超声频率为20kHz，随后搅拌混合3h，其中酒精与铜镁合金预粉末质量比为1:3；然后抽滤，60℃下真空烘干20h，得到石墨烯铜镁的合金粉末。

(3)将石墨烯铜镁的合金粉末在800℃、130MPa条件下静等热压烧结3h，获得石墨烯铜镁的合金锭坯。

(4)烧结后石墨烯铜镁的合金锭坯在850℃下挤压得到直径20mm杆坯。

(5)随后将杆坯进入连续挤压机，在摩擦力作用下，发生大塑性变形，获得直径20mm石墨烯铜镁合金杆材。

(6)石墨烯铜镁合金杆材经过6道次冷拉拔，最终获得横截面积为150mm²的石墨烯铜镁合金接触线。

本实施例中的石墨烯铜镁合金接触线，其中，石墨烯质量百分数为0.1％，镁质量百分数为0.4％，其余为铜。

对石墨烯铜镁合金接触线进行性能测试，测试结果如表1所示。

实施例2

与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(1)中，铜熔体与镁锭的质量比为995.5:4；步骤(2)中采用999.5质量份的铜镁预合金粉末和0.5质量份的石墨烯粉末。

本实施例中的石墨烯铜镁合金接触线，其中，石墨烯质量百分数为0.05％，镁质量百分数为0.4％，其余为铜。

对石墨烯铜镁合金接触线进行性能测试，测试结果如表1所示。

实施例3

不同之处在于，步骤(1)中，铜熔体与镁锭的质量比为998:0.5；步骤(2)中采用998.5质量份的铜镁预合金粉末和1.5质量份的石墨烯粉末。

本实施例中的石墨烯铜镁合金接触线，其中，石墨烯质量百分数为0.15％，镁质量百分数为0.05％，其余为铜。

对石墨烯铜镁合金接触线进行性能测试，测试结果如表1所示。

实施例4

与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(1)和步骤(2)为采用995质量份的铜粉、4质量份的镁粉和1质量粉的石墨烯粉末在在酒精中进行超声15min，超声功率2kw，随后搅拌混合3h，其中酒精与铜镁粉末总质量比为1:2；然后抽滤，60℃下真空烘干20h，得到石墨烯铜镁的合金粉末。

本实施例中的石墨烯铜镁合金接触线，其中，石墨烯质量百分数为0.1％，镁质量百分数为0.4％，其余为铜。

对石墨烯铜镁合金接触线进行性能测试，测试结果如表1所示。

实施例5

与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(4)中，烧结后石墨烯铜镁的合金锭坯在常温下车削加工得到直径20mm杆坯。

对石墨烯铜镁合金接触线进行性能测试，测试结果如表1所示。

由实施例1与实施例5的数据对比可知，实施例1相对于实施例5具备更高的拉伸强度，实施例1中步骤(4)采用的挤压的方式制备杆坯，从而形成挤压-连续挤压结合的方式，挤压后杆坯再次经过连续挤压过程，通过大塑性变形，提高了石墨烯对材料拉伸强度的强化效果，充分发挥出了石墨烯的优良特性。

对比例1

与实施例1基本相同，不同之处在于，不进行步骤(2)的操作，即在本实施例中，没有加入石墨烯。

对石墨烯铜镁合金接触线进行性能测试，测试结果如表1所示。

由实施例1与对比例1的数据对比可知，其中石墨烯的的加入显著增强了接触线的拉伸强度和导电率。

对比例2

与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(3)中，将石墨烯铜镁的合金粉末在800℃、130MPa条件下热压烧结3h，获得石墨烯铜镁的合金锭坯。

对石墨烯铜镁合金接触线进行性能测试，测试结果如表1所示。

由实施例1与对比例2的对比可知，在采用不同的方法对石墨烯铜镁的合金粉末进行烧结时对接触线的性能也会有一定的影响，采用热等静压进行烧结与采用常规热压烧结来说，所得到的接触线的性能大幅度提高；原因在于热等静压能实现99％以上的致密度，有效实现石墨烯铜镁合金的成型；减少由于内部孔洞造成的材料拉伸强度和导电率降低。

对比例3

与实施例1基本相同，不同之处在于，未进行步骤(5)的连续挤压工艺，直接将步骤(4)得到的杆坯，经过6道次冷拉拔，最终获得横截面积为150mm²的石墨烯铜镁合金接触线。

对石墨烯铜镁合金接触线进行性能测试，测试结果如表1所示。

由实施例1与对比例3的数据对比可知，连续挤压工艺的引入可以明显提高接触线的拉伸强度。

性能测试

对实施例1-5和对比例1-3中得到的石墨烯铜镁合金接触线进行力学性能和电导率的测试，其所使用的测试方法参见中华人民共和国铁道行业标准TB T 2809-2017(电气化铁路用铜及铜合金接触线)。测得的结果如表1所示。

表1

石墨烯铜镁合金接触线	拉伸强度	导电率
			实施例1	560MPa	77％IACS
实施例2	540MPa	75％IACS
			实施例3	530MPa	80％IACS
实施例4	550MPa	78％IACS
			实施例5	550MPa	77％IACS
对比例1	500MPa	70％IACS
			对比例2	450MPa	65％IACS
对比例3	500MPa	77％IACS

在测试条件下，实施例1-5中的制备的石墨烯铜镁合金接触线相对于对比例1-3中制备的石墨烯铜镁合金接触线来说，具备更高的拉伸强度和更高的导电率；因此其整体性能更加优越。由此可以说明石墨烯的添加、石墨烯与镁添加量以及比例、热等静压制备锭坯的工艺、杆坯的制备工艺等都是影响接触线整体的性能的关键因素，通过综合控制这些关键因素，有利于石墨烯铜镁合金接触线具有较高的拉伸强度和导电率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。