一种汽车用轻质铝合金线束及其加工工艺的制作方法

1.本发明涉及电缆技术领域，具体为一种汽车用轻质铝合金线束及其加工工艺。


背景技术：

2.清洁能源的大力提倡和研发技术的发展，使得新能源电动汽车快速发展。现阶段中，电动汽车的核心技术之一在于快速充电技术；而绝缘电缆作为是电动汽车充电技术的核心，被广泛研究。
3.目前研究中，由于铜的成本较高、且比较重，而铝耐腐蚀性好，且比较轻；因此，在电缆的研究中，偏向于使用铝质材料为导电芯，并通过绝缘层挤塑，得到铝合金线束作为电缆材料。其中，随着对导电芯材料由于铁含量的增加，使得存在粗针状铁结构，降低了其拉伸强度，使得铝质导电芯的强度低、耐冲击性能差；同时，高强度铝合金的导电率低于纯铜的50％，导电性能差。另一方面，导电芯材料导电性能的提升，充电过程中会存在热量积累，使得绝缘材料老化加速，缩短了电缆的使用寿命，因此，在提升导电芯材料性能的同时，也需要对绝缘层进行相应性能的提升，使得其可以在大功率充电性能下仍然具有优异的热性能和绝缘性能。
4.综上所述，解决上述问题，使得导电芯和绝缘材料具有相互匹配的性能，从而制备一种汽车用轻质铝合金线束具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种汽车用轻质铝合金线束及其加工工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
7.一种汽车用轻质铝合金线束的加工工艺，包括以下步骤：
8.步骤1：将铝置于熔炼炉中，熔融；依次加入铁、铜、硅、镁、锌、硼，阶梯式加热熔融；进入保温炉中，加入中间合金，融合均匀；通入氮气精炼、扒渣，得到铝合金熔体；
9.步骤2：将铝合金熔体流入铸机中铸条；在轧机中轧制、热处理，得到铝合金导体；将其进行三次连续拉拔，得到铝合金细丝；将其绞合，退火，得到铝合金导电芯；
10.步骤3：铝合金导电芯与绝缘层材料通过挤出机，挤塑，得到轻质铝合金线束。
11.较为优化地，步骤1中，铝合金熔体的原料包括以下组分：按100份质量计，0.4～0.5份铁、0.2～0.3份铜、0.04～0.08份硅、0.1～0.2份镁、0.02～0.03份锌、0.02～0.04份硼、1.9～1.95份中间合金，其余为铝。
12.较为优化地，所述中间合金包括质量比为0.5:(0.6～0.8):(0.4～0.6):(0.2～0.25)的al-10ca、al-10mn、al-10ce、al-10zr。
13.较为优化地，步骤1中，熔融的温度为720～750℃；阶梯式加热熔融过程中，温度依次为800℃～850℃～900℃～1200℃～1500℃；保温炉的温度为720～750℃；氮气精炼过程中，气体压力为0.4～0.6mpa，流量为1～2m3/hr，时间为20～30分钟。
14.较为优化地，步骤2中，轧制过程中，先在480～500℃下热轧，然后经过冷轧至出料，温度为250～280℃；热处理温度为350～360℃，时间为2～3小时；三次连续拉拔过程中，在10～30m/s下一次拉拔，在8～10m/s下二次拉拔，在5～8m/s下三次拉拔；退火温度为300～350℃，时间为1～2小时。
15.较为优化地，步骤3中，挤塑的压缩比为1:1.2，挤塑温度为160～200℃，挤塑压力为8～10mpa。
16.较为优化地，绝缘层材料的原料包括以下组分：按质量份数计，38～40份改性三元乙丙橡胶、50～55份聚丙烯、7～10份大分子抗氧化剂、0.8～1份过氧化二异丙苯、10～15份氮化硼、10～15份气相二氧化硅、8～10氧化石墨烯、1～2份硬脂酸钙、2～3份乙烯基三乙氧基硅烷。
17.较为优化地，所述改性三元乙丙橡胶的制备方法为：氮气氛围下，将三元乙丙橡胶置于反应瓶中，在60～70℃下，滴加转速为100～120rpm下，滴加氢氧化钠乙醇溶液，滴加时间为10～15分钟，搅拌5～10分钟；加入甲基丙烯酸甲酯，升温至75～85℃，提高转速至200～240rpm，搅拌1～2小时，蒸发乙醇，得到改性三元乙丙橡胶；
18.其中，三元乙丙橡胶、氢氧化钠乙醇溶液中氢氧化钠、甲基丙烯酸甲酯的100：(1～1.6)：(2.5～4)；氢氧化钠乙醇溶液的浓度为10～15wt％。
19.较为优化地，所述大分子抗氧化剂的制备方法为：氮气氛围下，将乙烯-醋酸乙烯酯分散在二甲苯中，在温度为135～137℃下，转速为100～120rpm下、滴加氢氧化钠乙醇溶液，滴加时间为20～30分钟，反应30～40分钟，洗涤、干燥，得到羟基化乙烯-醋酸乙烯酯；将羟基化乙烯-醋酸乙烯酯与3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸甲酯、甲基膦酸二甲酯依次加入至反应瓶中，在80～85℃，搅拌20～30分钟，加入一水合氢氧化锂，在155～165℃下反应3～4小时；洗涤干燥，得到大分子抗氧化剂；
20.其中，乙烯-醋酸乙烯酯、氢氧化钠乙醇溶液中氢氧化钠的质量比为5:0.6～0.8；羟基化乙烯-醋酸乙烯酯、3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸甲酯、甲基膦酸二甲酯的质量比为1:10:5。
21.较为优化地，一种汽车用轻质铝合金线束的加工工艺制备得到的轻质铝合金线束。
22.本技术方案中，通过在铝合金导电芯中引入合适配比的钙、锰、铈、锆，在保证高导电性的前提下，提高了力学性能；另一方面，通过对三元乙丙橡胶改性，提高其与聚丙烯的相容性，并协同大分子抗氧化剂、多种填料，提高绝缘层的电性能和力学性能。从而使得轻质铝合金线束可以满足高压下的快充，提高汽车的充电性能。
23.(1)方案中，通过引入质量比为1:1:(1.5～1.75)的al-10ca、al-10mn、al-10ce；其中，钙的引入可以提高铝合金导电芯的导电率，而锰的引入可以增加沉淀作用，使得金属间化合物在热轧过程中沿着挤压方向排列，从而提高铝合金的抗拉强度和断裂伸长率，显著提高铝合金的强度；但是，当钙和锰同时引入时，相较于单一引入钙，导电率会下降。另一方面稀土铈的掺杂，其可以有效细化粗针状物，从而提高铝合金导电芯的强度；使得降低锰的引入量，抑制电导率的降低；而锆的引入，可以让锰合金金属与锆形成的al3zr-l12，从而提高电导率。
24.(2)方案中，通过引入三元乙丙橡胶作为弹性体，抑制聚丙烯绝缘材料的脆性，提
高抗冲击性。同时，通过对三元乙丙橡胶在氢氧化钠和甲基丙烯酸酯的引入下，原位接枝，甲基丙烯酸钠，以其作为相溶剂，增强与聚丙烯之间的交联，提高拉伸强度可冲击韧性。
25.另一方面，由于挤塑过程中，小分子添加剂，如抗氧化剂、硫化剂会迁移至绝缘层的表面，影响机械性能，同时会劣化绝缘层的断裂伸长率。影响使用寿命和安全性。因此，方案中，一是通过引入氧化石墨烯，由于其是一种二维材料，对小分子添加剂有良好的孔隙穿透能力，另一方面，氧化石墨烯的边缘官能团可以与聚合物基质中某些分子链段产生强作用界面，以此，利用其特性，抑制过氧化二异丙苯的迁移。二是通过以乙烯-醋酸乙烯酯为主体，利用其水解后与3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸甲酯、甲基膦酸二甲酯之间产生酯交换反应，接枝，从而形成大分子抗氧化剂，有效抑制其迁移性。且由于乙烯-醋酸乙烯酯的结构与聚丙烯主链相似，因此，具有良好的相容性，同时含有的双键可以有效与主体物质产生交联，且其具有增韧性，从而其引入进一步增加了拉伸性能和抗冲击性能。而3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸甲酯、甲基膦酸二甲酯同时接枝，相较于单一觉知具有更好的耐氧化性能。
26.此外，氧化石墨烯的引入，可以协同气相二氧化硅、氮化硼提高热稳定性和导热性，从而提高大电流下的安全性。而硬脂酸钙、乙烯基三乙氧基硅烷的引入可以有效增强填料的分散性和聚合物之间的界面作用。
27.因此，通过优化配比，使得绝缘材料具有优异的拉伸强度和弹性，且具有优异的电气绝缘性，从而复合高压电缆的使用。
具体实施方式
28.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.实施例1：
30.步骤1：按100份质量计，将铝置于750℃的熔炼炉中，熔融；依次加入0.45份铁、0.3份铜、0.06份硅、0.15份镁、0.03份锌、0.04份硼，依次经过800℃～850℃～900℃～1200℃～1500℃阶梯式加热熔融；置于进入750℃的保温炉中，加入1.91份中间合金(0.5份al-10ca、0.7份al-10mn、0.5份al-10ce、0.21份al-10zr)，融合均匀2小时；通入氮气，气体压力为0.5mpa，流量为1.5m3/hr，精炼20分钟，扒渣，得到铝合金熔体；
31.步骤2：将铝合金熔体流入铸机中铸条冷却至450℃；在轧机中轧制：先在480℃下热轧，然后经过冷轧至出料，温度为280℃；在350℃下热处理温度2小时；在热处理，得到铝合金导体；将其进行三次连续拉拔：在20m/s下一次拉拔，在10m/s下二次拉拔，在5m/s下三次拉拔，得到铝合金细丝；将其绞合，在300℃下，退火2小时，得到铝合金导电芯；
32.步骤3：(1)氮气氛围下，将100g三元乙丙橡胶置于反应瓶中，在65℃下，滴加转速为100rpm下，滴加氢氧化钠乙醇溶液(1.5g氢氧化钠，10wt％)，滴加时间为15分钟，搅拌10分钟；加入3.5g甲基丙烯酸甲酯，升温至80℃，提高转速至200rpm，搅拌1～2小时，蒸发乙醇，得到改性三元乙丙橡胶，可等比例放大。
33.(2)氮气氛围下，将5g乙烯-醋酸乙烯酯分散在50g二甲苯中，在温度为136℃下，转
速为100rpm下、滴加氢氧化钠乙醇溶液(0.8g氢氧化钠，10wt％)，滴加时间为20分钟，反应40分钟，洗涤、干燥，得到羟基化乙烯-醋酸乙烯酯；将1g羟基化乙烯-醋酸乙烯酯与10g的3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸甲酯、5g的甲基膦酸二甲酯依次加入至反应瓶中，在85℃，搅拌30分钟，加入0.2g一水合氢氧化锂，在160℃下反应4小时；洗涤干燥，得到大分子抗氧化剂，可等比例放大。
34.(3)按质量份数计，将2.5份乙烯基三乙氧基硅烷加入至100份90wt％的乙醇水溶液中，加入1.5份硬脂酸钙、12份氮化硼、15份气相二氧化硅、8份氧化石墨烯，置于球磨机中，在500rpm下球磨1小时，干燥，得到混合填料，将其与38份改性三元乙丙橡胶、50份聚丙烯、7份大分子抗氧化剂、1份过氧化二异丙苯混合均匀，得到绝缘层材料；
35.(4)铝合金导电芯与绝缘层材料通过挤出机，在压缩比为1:1.2，挤塑温度为175℃，挤塑压力为8mpa下挤塑，得到轻质铝合金线束。
36.实施例2：
37.步骤1：按100份质量计，将铝置于750℃的熔炼炉中，熔融；依次加入0.45份铁、0.3份铜、0.06份硅、0.15份镁、0.03份锌、0.04份硼，依次经过800℃～850℃～900℃～1200℃～1500℃阶梯式加热熔融；置于进入750℃的保温炉中，加入1.9份中间合金(0.5份al-10ca、0.6份al-10mn、0.6份al-10ce、0.2份al-10zr)，融合均匀2小时；通入氮气，气体压力为0.5mpa，流量为1.5m3/hr，精炼20分钟，扒渣，得到铝合金熔体；
38.步骤2：将铝合金熔体流入铸机中铸条冷却至450℃；在轧机中轧制：先在480℃下热轧，然后经过冷轧至出料，温度为280℃；在350℃下热处理温度2小时；在热处理，得到铝合金导体；将其进行三次连续拉拔：在20m/s下一次拉拔，在10m/s下二次拉拔，在5m/s下三次拉拔，得到铝合金细丝；将其绞合，在300℃下，退火2小时，得到铝合金导电芯；
39.步骤3：(1)氮气氛围下，将100g三元乙丙橡胶置于反应瓶中，在65℃下，滴加转速为100rpm下，滴加氢氧化钠乙醇溶液(1g氢氧化钠，10wt％)，滴加时间为15分钟，搅拌10分钟；加入2.5g甲基丙烯酸甲酯，升温至80℃，提高转速至200rpm，搅拌1～2小时，蒸发乙醇，得到改性三元乙丙橡胶，可等比例放大。
40.(2)氮气氛围下，将5g乙烯-醋酸乙烯酯分散在50g二甲苯中，在温度为136℃下，转速为100rpm下、滴加氢氧化钠乙醇溶液(0.6g氢氧化钠，10wt％)，滴加时间为20分钟，反应40分钟，洗涤、干燥，得到羟基化乙烯-醋酸乙烯酯；将1g羟基化乙烯-醋酸乙烯酯与10g的3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸甲酯、5g的甲基膦酸二甲酯依次加入至反应瓶中，在85℃，搅拌30分钟，加入0.2g一水合氢氧化锂，在160℃下反应4小时；洗涤干燥，得到大分子抗氧化剂，可等比例放大。
41.(3)按质量份数计，将2份乙烯基三乙氧基硅烷加入至100份90wt％的乙醇水溶液中，加入2份硬脂酸钙、10份氮化硼、15份气相二氧化硅、10份氧化石墨烯，置于球磨机中，在500rpm下球磨1小时，干燥，得到混合填料，将其与38份改性三元乙丙橡胶、55份聚丙烯、7份大分子抗氧化剂、0.8份过氧化二异丙苯混合均匀，得到绝缘层材料；
42.(4)铝合金导电芯与绝缘层材料通过挤出机，在压缩比为1:1.2，挤塑温度为175℃，挤塑压力为8mpa下挤塑，得到轻质铝合金线束。
43.实施例3：
44.步骤1：按100份质量计，将铝置于750℃的熔炼炉中，熔融；依次加入0.45份铁、0.3
份铜、0.06份硅、0.15份镁、0.03份锌、0.04份硼，依次经过800℃～850℃～900℃～1200℃～1500℃阶梯式加热熔融；置于进入750℃的保温炉中，加入1.95份中间合金(0.5份al-10ca、0.8份al-10mn、0.4份al-10ce、0.25份al-10zr)，融合均匀2小时；通入氮气，气体压力为0.5mpa，流量为1.5m3/hr，精炼20分钟，扒渣，得到铝合金熔体；
45.步骤2：将铝合金熔体流入铸机中铸条冷却至450℃；在轧机中轧制：先在480℃下热轧，然后经过冷轧至出料，温度为280℃；在350℃下热处理温度2小时；在热处理，得到铝合金导体；将其进行三次连续拉拔：在20m/s下一次拉拔，在10m/s下二次拉拔，在5m/s下三次拉拔，得到铝合金细丝；将其绞合，在300℃下，退火2小时，得到铝合金导电芯；
46.步骤3：(1)氮气氛围下，将100g三元乙丙橡胶置于反应瓶中，在65℃下，滴加转速为100rpm下，滴加氢氧化钠乙醇溶液(1.6g氢氧化钠，10wt％)，滴加时间为15分钟，搅拌10分钟；加入4g甲基丙烯酸甲酯，升温至80℃，提高转速至200rpm，搅拌1～2小时，蒸发乙醇，得到改性三元乙丙橡胶，可等比例放大。
47.(2)氮气氛围下，将5g乙烯-醋酸乙烯酯分散在50g二甲苯中，在温度为136℃下，转速为100rpm下、滴加氢氧化钠乙醇溶液(0.8g氢氧化钠，10wt％)，滴加时间为20分钟，反应40分钟，洗涤、干燥，得到羟基化乙烯-醋酸乙烯酯；将1g羟基化乙烯-醋酸乙烯酯与10g的3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸甲酯、5g的甲基膦酸二甲酯依次加入至反应瓶中，在85℃，搅拌30分钟，加入0.2g一水合氢氧化锂，在160℃下反应4小时；洗涤干燥，得到大分子抗氧化剂，可等比例放大。
48.(3)按质量份数计，将3份乙烯基三乙氧基硅烷加入至100份90wt％的乙醇水溶液中，加入1份硬脂酸钙、15份氮化硼、10份气相二氧化硅、10份氧化石墨烯，置于球磨机中，在500rpm下球磨1小时，干燥，得到混合填料，将其与40份改性三元乙丙橡胶、50份聚丙烯、10份大分子抗氧化剂、1份过氧化二异丙苯混合均匀，得到绝缘层材料；
49.(4)铝合金导电芯与绝缘层材料通过挤出机，在压缩比为1:1.2，挤塑温度为175℃，挤塑压力为8mpa下挤塑，得到轻质铝合金线束。
50.对比例的设置：
51.对比例1中，只单一引入钙，其余与实施例1相同；
52.对比例2中，只引入钙、锰，其余与实施例1相同；
53.对比例3中，只引入钙、锰、铈，其余与实施例1相同；
54.对比例4中，直接引入乙烯-醋酸乙烯酯、3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸甲酯、甲基膦酸二甲酯，其余与实施例1相同；
55.对比例5中，不引入甲基膦酸二甲酯，其余与实施例1相同；
56.对比例6中，不对三元乙丙橡胶进行改性，其余与实施例1相同；
57.对比例7中，不引入氧化石墨烯，将其使用氮化硼代替，其余与实施例1相同。
58.其中，上述实施例中，三元乙丙橡胶货号为722p，来源于东莞市鼎信塑胶原料有限公司；聚丙烯货号a0003070，来源于河南威梯希化工科技有限公司；乙烯-醋酸乙烯酯货号为24937-78-8，来源于重庆睿雅生物科技有限公司；氮化硼货号为b106033、气相二氧化硅货号为s104590，均来源于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氧化石墨烯货号为a782425，来源于郑州汇聚化工有限公司。
59.实验：将实施例和对比例中制备得到的铝合金导电芯、绝缘层材料进行相关性能
测试。在室温条件下，通过涡流法测量铝合金导电芯电导率，使用万能试验机测试铝合金导电芯的拉伸强度，得到拉伸强度a；将绝缘材料注塑，得到100
×
100
×
0.1mm的样品，使用万能试验机测试绝缘层的拉伸强度，得到拉伸强度b，使用标准电压击穿测试仪，采用直径为25mm的双柱测试电极，在升压比为1k/v下，测试直流电压击穿强度，数据如下所示：
[0060][0061]
结论：有实施例1～3的数据可知，制备得到的铝合金线束中，铝合金导体在保证了高电导率的基础上，有效提高了力学性能；绝缘层具有优异的力学强度和击穿强度，可以匹配高压快速充电。将对比例1～3的数据以实施例1相比，可以发现，单一引入钙时，电导率达到57.4％；但是力学性能不佳，同时引入钙和锰时，可以发现，力学性能迅速增加，但是导电性急剧降低。当同时引入钙锰铈时，可以发现，导电性同样下降，但是相较于对比例2，导电性有所上升，表明，稀土铈的引入，可以提高导电率。将对比例4～7的数据与实施例1相比，可以发现，直接引入乙烯-醋酸乙烯酯、3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸甲酯、甲基膦酸二甲酯，由于存在迁移性，使得力学性能和击穿强度下降。同样的，对比例7中，不使用氧化石墨烯，增加了过氧化二异丙苯的迁移性，使得性能下降。而对比例5中，未引入甲基膦酸二甲酯，使得抗氧化性下降，从而使得性能有略微下降。对比例6中，未对三元乙丙橡胶进行改性，降低了相容性和交联性，使得性能下降。
[0062]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。