一种制备金属包长碳纤维包覆材料的装置与工艺方法

摘要

一种制备金属包长碳纤维包覆材料的装置与工艺方法，属于金属包覆材料领域。本发明装置由水冷器、高温拉拔模、保温防氧化渣、熔金属坩埚、长碳纤维预热模、隔热密封垫、防氧化罩等组成。隔热密封垫的中心孔形状为圆形或近圆形，与长碳纤维截面形状相匹配，长碳纤维预热模的下部位于防氧化罩中，熔金属坩埚中的金属液流入预热模中心孔与长碳纤维的缝隙中，金属液在预热模中逐渐凝固，将长碳纤维包覆在金属内部，然后以一定的速度由下而上穿过坩埚，与坩埚中熔融的金属液相接触，反向凝固，经高温拉拔模最终得到结合良好、尺寸精确的金属包长碳纤维包覆材料成品本发明包覆材料生产流程短、界面结合强度高、成材率高、成本低，保证了金属与长碳纤维的充分结合。

说明书

技术领域

本发明属于金属包覆材料领域，涉及一种反向凝固高温拉拔制备金属包长碳纤维包覆材 料设备与工艺。

背景技术

铜包铝、银包铝等复合材料是在铝芯上同心的包覆铜(或银)层的双金属复合材料，主 要用于高频电流传输导体，根据“趋肤效应”原理，高频的电流仅集中在导体表面的铜(银) 等金属层上传输，所以金属复合导体与纯金属导体具有相同的传输性能，然而金属复合导体 重量轻、成本低，因此金属复合导体具有更大的发展前景。

用薄壁的铜(银、铝等)管制备复合导体虽然非常经济，但其抗拉强度低，当电缆承受 拉伸力的时候容易产生开裂，影响电流的传输。例如当前研究较多的铜包铝复合导体虽然大 幅度的降低了导体重量、节约了成本，但是由于铝的抗拉强度比铜低，所以铜包铝复合导体 的抗拉强度比铜导体低，在不少场合，由于抗拉强度不够，限制了其推广应用。

由于长碳纤维的抗拉强度最高(约为7000MPa)，纯铜的抗拉强度仅为150MPa，纯铝的 抗拉强度更低为59MPa，并且长碳纤维密度更小，所以通过在金属内部填充一束长碳纤维， 可以显著提高金属的抗拉强度，减轻重量。因此，金属包长碳纤维包覆材料的制备具有重要 的应用价值，为铜包铝等金属复合导体的推广使用具有重要的推动意义。

目前没有金属包长碳纤维包覆材料制备的相关报道，传统生产包覆金属复合材料的方法 有电镀、轧制及包覆焊接等方法，其共同缺点为：工艺复杂、生产效率低、界面质量控制难 度大。

反向凝固工艺是德国Mannesmann集团和Aachen技术大学在1989年联合开发的一种具 有独特概念的近终形薄带连铸技术，可用于生产凝固层与母带相同材料，与目前广泛采用的 爆炸复合、轧制复合技术相比，具有高效率、低能耗、连续化和短流程的特点，因此一经提 出即引起关注。反向凝固工艺的原理为，将一定厚度的热轧或冷轧钢带作为母带，低温母带 以一定速度由下而上穿过凝固器中一定高度的钢液；钢液在低温母带的两个表面凝固生长， 形成新生相凝固层(简称新相层)；离开凝固器钢液表面时，新相层和母带牢固地结合在一起， 形成数倍于原母带厚度铸带。但目前还没有采用此工艺生产金属包长碳纤维包覆材料的相关 研究和报道，因此，本发明与申请日以前已有的技术相比，具有突出的实质性特点和显著的 进步。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有包覆材料制备方法中存在的生产流程长、界面结合 强度低、成材率低、成本高等问题，提供一种短流程、高效率、节能降耗、复合界面结合好 的一种金属包长碳纤维复合材料反向凝固高温拉拔制备设备与工艺。

本发明涉及一种制备金属包长碳纤维包覆材料高温拉拔的装置，其特征在于：包括牵引 装置、限位卡具、水冷器、高温拉拔模、热电偶、保温防氧化渣、金属液、熔金属坩埚、长 碳纤维预热模、隔热密封垫一、防氧化罩、隔热密封垫二；惰性气体进气口、惰性气体出气 口、长碳纤维及引入装置。熔金属坩埚开口处覆盖保温防氧化渣，坩埚上部装有测量金属液 温度的热电偶；长碳纤维预热模的上端穿过熔金属坩埚底部插入金属液中，坩埚底部通过隔 热密封垫与防氧化罩紧密固联在一起，预热模下端装有隔热密封垫，熔金属坩埚开口处覆盖 保温防氧化渣，坩埚上部装有测量金属液温度的热电偶；长碳纤维预热模的上端穿过熔金属 坩埚底部插入金属液中，熔金属坩埚底部通过隔热密封垫与防氧化罩紧密固联在一起，预热 模下端装有隔热密封垫，熔金属坩埚上端中心位置贴近金属液装有高温拉拔模，拉拔模上端 配有水冷器，水冷器的上部装有限位卡具和牵引装置。

隔热密封垫的中心孔形状为圆形或近圆形，与长碳纤维截面形状相匹配，一方面防止预 热模中的热量散失，另一方面防止坩埚中金属液经预热模流出；长碳纤维预热模的下部位于 防氧化罩中，里面通有惰性气体，防止长碳纤维预热过程中被氧化；长碳纤维经过预热模预 热到一定温度后，熔金属坩埚中的金属液流入预热模中心孔与长碳纤维的缝隙中，由于预热 模温度低于金属液熔点，长碳纤维表面的液态金属温度迅速降低，伴随着液态金属在长碳纤 维表面的浸润、附着、凝结，实现金属和长碳纤维界面良好的冶金结合，金属液在预热模中 逐渐凝固，将长碳纤维包覆在金属内部，然后以一定的速度由下而上穿过坩埚，与坩埚中熔 融的金属液相接触，依靠预热模中形成的固态包覆材料与金属液间的热流传输，反向凝固获 得一定包覆层厚度的金属包长碳纤维包覆坯料，刚刚离开金属液表面的包覆坯料处于高温状 态，此时高温拉拔模更容易对其减径和改善坯料表面质量，最终得到结合良好、尺寸精确的 金属包长碳纤维包覆材料成品。

长碳纤维预热模温度为相应包覆金属的液相线温度以下200～600℃的范围，熔金属坩埚 温度设定为相应包覆金属的液相线至液相线以上200℃的范围，长碳纤维的运行速度为 0～3m/min，水冷器中水流速度控制在3～12m/s。

所述金属液为铝液、银液、铜液。

本发明的优点在于：

1、良好控制一种金属与长碳纤维界面复合效果，在复合的过程中可以精确的控制长碳纤 维穿过金属液的速度，保证了金属液与长碳纤维充分的接触反应，随着液态金属在长碳纤维 表面的浸润、附着、凝结，实现控制一种金属与长碳纤维界面良好的冶金结合。

2、尺寸精度高，一种金属包长碳纤维包覆材料可以及时的进行高温拉拔减径，高温拉拔 模对控制包覆材料尺寸精度高起着关键性作用。

3、效率高，易高效实现一种金属与长碳纤维包覆及包覆后加工成形为产品的一体化。

附图说明

图1为一种金属包长碳纤维包覆材料反向凝固高温拉拔制备设备与工艺的原理图。

1)牵引装置；(2)限位卡具；(3)水冷器；(4)金属包长碳纤维包覆材料成品；(5)高温拉 拔模；(6)热电偶；(7)保温防氧化渣；(8)金属液；(9)熔金属坩埚；(10)长碳纤维预热 模；(11)隔热密封垫一；(12)防氧化罩；(13)隔热密封垫二；(14)惰性气体进气口；(15) 惰性气体出气口；(16)长碳纤维及引入装置。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明做进一步地详述。

实施例1

铜包长碳纤维包覆材料反向凝固高温拉拔制备

铜包包长碳纤维包覆材料外层金属直径12mm，芯部长碳纤维束直径为3mm，采用电磁 感应加热方式对熔金属坩埚进行加热，铜金属液的温度为1200℃，长碳纤维预热模的温度为 800℃，加热方式采用电阻加热，长碳纤维的运行速度为1.2m/min，水冷器中的水流速度为 8m/s，铜包长碳纤维包覆坯料经高温拉拔模的减径和表面质量改善，获得了冶金结合良好、 尺寸精确的铜包长碳纤维包覆材料成品。

实施例2

铝包长碳纤维包覆材料反向凝固高温拉拔制备

铝包包长碳纤维包覆材料外层金属直径14mm，芯部长碳纤维束直径为2mm，采用电磁 感应加热方式对熔金属坩埚进行加热，铝金属液的温度为750℃，长碳纤维预热模的温度为 300℃，加热方式采用电阻加热，长碳纤维的运行速度为0.8m/min，水冷器中的水流速度为 6m/s，铝包长碳纤维包覆坯料经高温拉拔模的减径和表面质量改善，获得了冶金结合良好、 尺寸精确的铝包长碳纤维包覆材料成品。

实施例3

银包长碳纤维包覆材料反向凝固高温拉拔制备

银包包长碳纤维包覆材料外层金属直径10mm，芯部长碳纤维束直径为4mm，采用电磁感应 加热方式对熔金属坩埚进行加热，银金属液的温度为1100℃，长碳纤维预热模的温度为 600℃，加热方式采用电阻加热，长碳纤维的运行速度为1.0m/min，水冷器中的水流速度为 8m/s，银包长碳纤维包覆坯料经高温拉拔模的减径和表面质量改善，获得了冶金结合良好、 尺寸精确的银包长碳纤维包覆材料成品。