一种耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料及其制备方法和应用

1.本发明属于铝合金材料技术领域，具体涉及一种耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着电力需求的持续增长以及能源分布不均衡驱动了长距离、跨区域输电的快速发展，作为长距离、跨区域输电的先决条件，智能输电网络的搭建意义重大，架空输电线路正是智能输电网络的“骨架”与“脉络”。受导/地线长度限制，架空输电线路建设中需要通过接续金具实现导线之间的连接，以完成不间断输电。输电线路金具常用材料是铝合金材料和铁基材料两种，只有极少量的铜接头采用铜材。铁基材料通常用于制作金具的承载部位，铝合金材料作为金具的导流、导热部件的加工材料。虽然铝合金材料具有良好的导电性和力学性能，但是在耐腐蚀性能方面还还存在不足。
3.碳纤维由碳元素组成的一种特种纤维，因其具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，在电力材料领域应用前景很好，因此，国内外很多研究者将碳纤维和铝合金复合制备成碳纤维铝合金复合材料应用在电力材料的各个领域，例如，公开号为cn113871059a的中国专利公开了一种碳纤维复合铝合金架空线缆及其制备工艺，线缆采用铝合金外包层和芯材的壳芯结构，芯材由若干根表面包覆有改性包覆层的碳纤维复合芯材构成，每根碳纤维复合芯材以若干碳纤维束为主体，包覆层包在碳纤维束外面；碳纤维束占碳纤维复合芯材截面积的10～80％，碳纤维复合芯材的孔隙率为3～15％；整个线缆的抗拉强度超过300mpa，抗拉模量超过200gpa。公开号为cn 104751972 a的中国专利公开了一种碳纤维增强型抗蠕变铝合金导体光电复合电缆，由抗蠕变铝合金导体以及铝合金导体外挤包的绝缘层构成的线芯，由两股以上线芯绞合成缆芯，在缆芯外绕包内衬层，在内衬层外绕包铝合金带材联锁铠装层，在铝合金带材联锁铠装层外挤包外护套层，在所述线芯之间的空隙中设置有碳纤维增强芯；还包括一根光单元，所述的光单元包括多根光纤，至少一根光纤为刻写有测温光栅的光栅光纤。现有的技术大部分公开的都是碳纤维铝合金复合材料在电线、电缆等方面的应用，而且其制备方目前尚未有碳纤维率铝合金复合材料在输电线路接续金具材料方面的应用报道。而且现有技术已报到的碳纤维铝合金复合材料的制备方法大都是采用电镀、旋涂镀膜等方式，这些方式的制备工艺复杂，制备周期长，生产成本高，制备的碳纤维铝合金复合材料的耐腐蚀性能有所欠缺，例如授权公告号cn 102943225 b的中国专利公开了一种利用表面电镀铜后的碳纤维布与铝合金放电等离子烧结(sps)后而得到的碳纤维布/铝合金复合材料及其制备方法。该方法的具体步骤是：步骤1、碳纤维布预处理；步骤2、碳纤维布包覆铜：利用电镀的方法将铜包覆于碳纤维布表面；步骤3、制备预制件：将镀铜后的碳纤维布与铝合金薄片交替叠放，制成预制件，制作时需按碳纤维布在铝合金内的含量及排布要求进行制作；步骤4、sps加压烧结预制件，最终得到需要的碳纤维布/铝合金复合材料。本发明制备的碳纤维布/铝合金材料复合良好，碳纤维布的体积含量和分布可控。该复合材料具有高比模量、高韧性、高比强度和优良抗剪切能力，但是该专利的复
合材料在耐腐蚀方面存在不足。
4.由于碳纤维和铝基体的接触和界面反应，会生成容易水解的al4c3，造成复合材料的腐蚀；另外，碳纤维与铝基体存在较大的电极电位差，容易形成电偶腐蚀，所以碳纤维增强铝基复合材料相比于铝合金具有高的腐蚀性。因此，研究一种新型的碳纤维铝合金制备方法制备出良好耐腐蚀性能的碳纤维铝合金材料应用在输电线路接续金具材料中的应用是目前急需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的不足，本发明的目的之一是提供一种耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料及其制备方法。该制备方法制备的碳纤维铝合金材料耐腐蚀性能好，而且该制备方法简单、制备周期短、制备成本低。
6.本发明的目的之二是通过上述制备方法制备的耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料在输电线路接续金具材料中的应用。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：
9.(1)称取原料：按照质量分数称取2.5-8％的碳纤维和92-97.5％的铝合金；
10.(2)铝合金预处理：对铝合金样品表面依次进行机械处理、碱洗和除尘处理，然后进行干燥，备用；
11.(3)电化学腐蚀：将步骤(2)中经过预处理的铝合金进行电化学腐蚀，使铝合金表面出现均匀分布的纳米孔洞氧化层，然后再进行冲洗、干燥，备用；
12.(4)成型：将碳纤维进行预热，然后采用压力浸渗法将预热后的碳纤维渗入到步骤(3)中经过电化学腐蚀的铝合金中；
13.(5)热处理：将步骤(4)中已渗入碳纤维的铝合金进行加热保温，然后冷却至室温，得所述耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料。
14.进一步的，所述步骤(2)中机械处理为磨光、抛光、滚光或喷砂中的一种或几种。
15.进一步的，所述步骤(2)中碱洗的温度为30-60℃，碱洗时间为5-10min，碱洗所用的碱溶液为氢氧化钠、碳酸钠或硅酸钠中的任一种，所述碱溶液的浓度为8-40g/l。
16.进一步的，所述步骤(3)中的电化学腐蚀为直流电化学腐蚀，所述直流电化学腐蚀是以铝合金作为阳极，石墨作为阴极，电解液为质量浓度为2.5-6％的硫酸、磷酸、草酸中的任一种。
17.进一步的，所述直流电化学腐蚀过程中辅助有超声波振荡，所述超声波振荡的频率是80-100hz，超声时间为5-10min。
18.进一步的，所述步骤(4)中碳纤维是在氮气氛围、500-600℃的温度下进行预热1.5-2h；所述压力浸渗法的浸渗压力为30-60mpa。
19.进一步的，所述步骤(5)中加热保温具体操作为：以120℃/h的升温速率升温至150℃，保温20min，然后升温至250℃保温40min，再升温至350-500℃保温1-2.5h。
20.进一步的，一种耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料，所述耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料是由上述制备方法制备而成的。
21.进一步的，一种上述的耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料在输电线路接续金具材料中
的应用。
22.与现有技术相比，本发明具备的有益效果在于：
23.(1)本发明的制备方法通过采用直流电化学腐蚀使铝合金表面出现均匀分布且相互贯通的纳米孔洞，提高了碳纤维与铝合金之间的结合力，然后再通过压力浸渗的方法让碳纤维直接进入铝合金表面的纳米孔洞中，进而防止了碳纤维与铝界面反应，从而提高碳纤维铝合金复合材料的耐腐蚀性；而且本发明的制备方法操作简单、制备周期短、制备成本低。
24.(2)本发明在碳纤维铝合金复合材料热处理的过程中采用“升温-保温-升温-保温-升温-保温”循序渐进式缓慢升温的方式，避免因升温过快造成碳纤维铝合金复合材料表面出现裂缝，进而影响碳纤维铝合金复合材料的耐腐蚀性和力学性能情况的发生。
25.(3)本发明制备的碳纤维铝合金复合材料不仅与良好的耐腐蚀性能，而且由于碳纤维的加入，提高了铝合金的导电率和力学性能，将其应用在输电线路接续金具材料中，可以显著提高接续金具的耐腐蚀性、导电率和强度等性能。
具体实施方式
26.为更好的理解本发明，下面通过几个实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对发明构成任何的限定。
27.实施例1
28.一种耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：
29.(1)称取原料：称取质量分数2.5％的碳纤维和质量分数97.5％的铝合金；
30.(2)铝合金预处理：将步骤(1)称取的铝合金样品表面先进行磨光处理，然后再将其置入浓度为8g/l的氢氧化钠溶液中，在温度30℃下碱洗10min后，最后将碱洗后的铝合金置入酸性溶液中进行超声波振荡，除去铝合金表面的挂灰和残留碱液，清洗干净后进行干燥备用；
31.(3)电化学腐蚀：将步骤(2)中经过干燥后的铝合金开始进行直流电化学腐蚀，铝合金作为阳极，石墨作为阴极，电解液为2.5wt％的磷酸，电流密度为5ma/cm2，氧化时间为10min，氧化温度为室温，直流电化学腐蚀过程中辅助有超声波振荡，超声波振荡的频率80hz，超声时间为10min，使铝合金表面出现均匀分布的纳米孔洞氧化层，然后再进行冲洗、干燥，备用；
32.(4)成型：将碳纤维置入氮气氛围，500℃的高温炉中进行预热2h，然后在压力为30mpa下将预热后的碳纤维渗入到步骤(3)中经过干燥后的铝合金中；
33.(5)热处理：将步骤(4)中已渗入碳纤维的铝合金先以120℃/h的升温速率升温至150℃，保温20min，然后以120℃/h的升温速率升温至250℃，保温40min，再以120℃/h的升温速率升温至350℃保温2.5h，最后冷却至室温，得所述耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料。
34.一种通过上述制备方法制备的耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料，所述耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料包括质量分数2.5％的碳纤维和质量分数97.5％的铝合金。
35.实施例2
36.一种耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：
37.(1)称取原料：称取质量分数4％的碳纤维和质量分数96％的铝合金；
38.(2)铝合金预处理：将步骤(1)称取的铝合金样品表面先进行滚光处理，然后再将其置入浓度为15g/l的硅酸钠溶液中，在温度40℃下碱洗8min后，最后将碱洗后的铝合金置入酸性溶液中进行超声波振荡，除去铝合金表面的挂灰和残留碱液，清洗干净后进行干燥备用；
39.(3)电化学腐蚀：将步骤(2)中经过干燥后的铝合金开始进行直流电化学腐蚀，铝合金作为阳极，石墨作为阴极，电解液为3.6wt％的硫酸，电流密度为5ma/cm2，氧化时间为10min，氧化温度为室温，直流电化学腐蚀过程中辅助有超声波振荡，超声波振荡的频率90hz，超声时间为8min，使铝合金表面出现均匀分布的纳米孔洞氧化层，然后再进行冲洗、干燥，备用；
40.(4)成型：将碳纤维置入氮气氛围，550℃的高温炉中进行预热1.8h，然后在压力为45mpa下将预热后的碳纤维渗入到步骤(3)中经过干燥后的铝合金中；
41.(5)热处理：将步骤(4)中已渗入碳纤维的铝合金先以120℃/h的升温速率升温至150℃，保温20min，然后以120℃/h的升温速率升温至250℃，保温40min，再以120℃/h的升温速率升温至400℃保温2h，最后冷却至室温，得所述耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料。
42.一种通过上述制备方法制备的耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料，所述耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料包括质量分数4％的碳纤维和质量分数96％的铝合金。
43.实施例3
44.一种耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：
45.(1)称取原料：称取质量分数6％的碳纤维和质量分数94％的铝合金；
46.(2)铝合金预处理：将步骤(1)称取的铝合金样品表面先进行抛光处理，然后再将其置入浓度为25g/l的碳酸钠溶液中，在温度50℃下碱洗6min后，最后将碱洗后的铝合金置入酸性溶液中进行超声波振荡，除去铝合金表面的挂灰和残留碱液，清洗干净后进行干燥备用；
47.(3)电化学腐蚀：将步骤(2)中经过干燥后的铝合金开始进行直流电化学腐蚀，铝合金作为阳极，石墨作为阴极，电解液为3.6wt％浓度的磷酸，电流密度为5ma/cm2，氧化时间为10min，氧化温度为室温，直流电化学腐蚀过程中辅助有超声波振荡，超声波振荡的频率90hz，超声时间为8min，使铝合金表面出现均匀分布的纳米孔洞氧化层，然后再进行冲洗、干燥，备用；
48.(4)成型：将碳纤维置入氮气氛围，550℃的高温炉中进行预热1.8h，然后在压力为45mpa下将预热后的碳纤维渗入到步骤(3)中经过干燥后的铝合金中；
49.(5)热处理：将步骤(4)中已渗入碳纤维的铝合金先以120℃/h的升温速率升温至150℃，保温20min，然后以120℃/h的升温速率升温至250℃，保温40min，再以120℃/h的升温速率升温至400℃保温1.5h，最后冷却至室温，得所述耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料。
50.一种通过上述制备方法制备的耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料，所述耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料包括质量分数6％的碳纤维和质量分数94％的铝合金。
51.实施例4
52.一种耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：
53.(1)称取原料：称取质量分数8％的碳纤维和质量分数92％的铝合金；
54.(2)铝合金预处理：将步骤(1)称取的铝合金样品表面先进行磨光处理，然后再将
其置入浓度为40g/l的碳酸钠溶液中，在温度60℃下碱洗5min后，最后将碱洗后的铝合金置入酸性溶液中进行超声波振荡，除去铝合金表面的挂灰和残留碱液，清洗干净后进行干燥备用；
55.(3)电化学腐蚀：将步骤(2)中经过干燥后的铝合金开始进行直流电化学腐蚀，铝合金作为阳极，石墨作为阴极，电解液为6wt％的草酸，电流密度为5ma/cm2，氧化时间为10min，氧化温度为室温，直流电化学腐蚀过程中辅助有超声波振荡，超声波振荡的频率100hz，超声时间为5min，使铝合金表面出现均匀分布的纳米孔洞氧化层，然后再进行冲洗、干燥，备用；
56.(4)成型：将碳纤维置入氮气氛围，600℃的高温炉中进行预热1.5h，然后在压力为60mpa下将预热后的碳纤维渗入到步骤(3)中经过干燥后的铝合金中；
57.(5)热处理：将步骤(4)中已渗入碳纤维的铝合金先以120℃/h的升温速率升温至150℃，保温20min，然后以120℃/h的升温速率升温至250℃，保温40min，再以120℃/h的升温速率升温至500℃保温1h，最后冷却至室温，得所述耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料。
58.一种通过上述制备方法制备的耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料，所述耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料包括质量分数8％的碳纤维和质量分数92％的铝合金。
59.对比例1
60.一种碳纤维铝合金复合材料及其制备方法，除了其制备方法中省去步骤(3)，其他与实施例1完全相同。
61.对比例2
62.一种碳纤维铝合金复合材料及其制备方法，除了其制备方法中的步骤(4)不同，其他完全与实施例1相同，本对比例中制备方法的步骤(4)具体操作如下：
63.(4)成型：将碳纤维置入氮气氛围，500℃的高温炉中进行预热2h，然后将预热后的碳纤维加入到步骤(3)中经过干燥后的铝合金中。
64.对比例3
65.一种碳纤维铝合金复合材料及其制备方法，除了其制备方法中的步骤(5)不同，其他完全与实施例1相同，本对比例中制备方法的步骤(5)具体操作如下：
66.(5)热处理：将步骤(4)中已渗入碳纤维的铝合金直接升温至350℃保温3.5h，最后冷却至室温，得所述耐腐蚀碳纤维铝合金复合材料。
67.分别取上述实施例1-4和对比例1-3所制得碳纤维铝合金复合材进行力学性能和耐腐蚀性能，力学性能测试时包括屈服强度(mpa)、拉伸强度(mpa)和延伸率(％)，将碳纤维铝合金复合材料进行电位极化测试，其中用腐蚀电位(mv)和腐蚀电流密度(μa
·
cm-2
)来表征碳纤维铝合金复合材料的耐腐蚀性能，具体测试结果如表1所示。
68.表1实施例与对比例所制得碳纤维铝合金复合材料性能测试结果
[0069] 屈服强度拉伸强度延伸率腐蚀电位腐蚀电流密度实施例17287559.1-971.267.67实施例27327639.5-954.687.75实施例37387669.4-969.498.12实施例47357619.2-987.897.79对比例15144967.4-1045.9318.23
对比例25255328.2-1065.3219.98对比例35195488.4-1055.2717.84
[0070]
由表1中的数据可知，实施例1-4的屈服强度、拉伸强度和延伸率数据相差较小，说明本发明制备方法中的不同参数的设置对所制得的碳纤维铝合金复合材料的力学性能和耐腐蚀性影响甚微；通过实施例1与对比例1-3对比可以发现：对比例1-3的力学性能参数和耐腐蚀性参数都比实施例1差，主要是由于对比例1在制备碳纤维铝合金复合材料缺少了电化学腐蚀步骤，使碳纤维和铝合金之间的结合力减弱，导致碳纤维铝合金复合材料的力学性能和耐腐蚀性出现了下降；对比例2中在制备碳纤维铝合金复合材料缺少了压力浸渗法步骤，导致碳纤维与铝合金结合时，在二者接触界面处进行了化学反应生成了al4c3，造成碳纤维铝合金复合材料的腐蚀性能加剧；对比例3在制备碳纤维铝合金复合材料时步骤(5)中直接升温，由于升温过快导致碳纤维铝合金复合材料表面出现裂缝，进而使碳纤维铝合金复合材料的耐腐蚀性和力学性能下降。
[0071]
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本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。