一種制備金屬包長碳纖維包覆材料的裝置與工藝方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于金屬包覆材料領域，涉及一種反向凝固高溫拉拔制備金屬包長碳纖維包覆材料設備與工藝。
【背景技術】
[0002]銅包鋁、銀包鋁等復合材料是在鋁芯上同心的包覆銅(或銀)層的雙金屬復合材料，主要用于高頻電流傳輸導體，根據“趨膚效應”原理，高頻的電流僅集中在導體表面的銅(銀)等金屬層上傳輸，所以金屬復合導體與純金屬導體具有相同的傳輸性能，然而金屬復合導體重量輕、成本低，因此金屬復合導體具有更大的發展前景。
[0003]用薄壁的銅(銀、鋁等)管制備復合導體雖然非常經濟，但其抗拉強度低，當電纜承受拉伸力的時候容易產生開裂，影響電流的傳輸。例如當前研究較多的銅包鋁復合導體雖然大幅度的降低了導體重量、節約了成本，但是由于鋁的抗拉強度比銅低，所以銅包鋁復合導體的抗拉強度比銅導體低，在不少場合，由于抗拉強度不夠，限制了其推廣應用。
[0004]由于長碳纖維的抗拉強度最高(約為7000MPa)，純銅的抗拉強度僅為150MPa，純鋁的抗拉強度更低為59MPa，并且長碳纖維密度更小，所以通過在金屬內部填充一束長碳纖維，可以顯著提高金屬的抗拉強度，減輕重量。因此，金屬包長碳纖維包覆材料的制備具有重要的應用價值，為銅包鋁等金屬復合導體的推廣使用具有重要的推動意義。
[0005]目前沒有金屬包長碳纖維包覆材料制備的相關報道，傳統生產包覆金屬復合材料的方法有電鍍、乳制及包覆焊接等方法，其共同缺點為:工藝復雜、生產效率低、界面質量控制難度大。
[0006]反向凝固工藝是德國Mannesmann集團和Aachen技術大學在1989年聯合開發的一種具有獨特概念的近終形薄帶連鑄技術，可用于生產凝固層與母帶相同材料，與目前廣泛采用的爆炸復合、乳制復合技術相比，具有高效率、低能耗、連續化和短流程的特點，因此一經提出即引起關注。反向凝固工藝的原理為，將一定厚度的熱乳或冷乳鋼帶作為母帶，低溫母帶以一定速度由下而上穿過凝固器中一定高度的鋼液；鋼液在低溫母帶的兩個表面凝固生長，形成新生相凝固層(簡稱新相層)；離開凝固器鋼液表面時，新相層和母帶牢固地結合在一起，形成數倍于原母帶厚度鑄帶。但目前還沒有采用此工藝生產金屬包長碳纖維包覆材料的相關研究和報道，因此，本發明與申請日以前已有的技術相比，具有突出的實質性特點和顯著的進步。

【發明內容】

[0007]本發明要解決的技術問題是克服現有包覆材料制備方法中存在的生產流程長、界面結合強度低、成材率低、成本高等問題，提供一種短流程、高效率、節能降耗、復合界面結合好的一種金屬包長碳纖維復合材料反向凝固高溫拉拔制備設備與工藝。
[0008]本發明涉及一種制備金屬包長碳纖維包覆材料高溫拉拔的裝置，其特征在于:包括牽引裝置、限位卡具、水冷器、高溫拉拔模、熱電偶、保溫防氧化渣、金屬液、熔金屬坩禍、長碳纖維預熱模、隔熱密封墊一、防氧化罩、隔熱密封墊二 ；惰性氣體進氣口、惰性氣體出氣口、長碳纖維及引入裝置。熔金屬坩禍開口處覆蓋保溫防氧化渣，坩禍上部裝有測量金屬液溫度的熱電偶；長碳纖維預熱模的上端穿過熔金屬坩禍底部插入金屬液中，坩禍底部通過隔熱密封墊與防氧化罩緊密固聯在一起，預熱模下端裝有隔熱密封墊，熔金屬坩禍開口處覆蓋保溫防氧化渣，坩禍上部裝有測量金屬液溫度的熱電偶；長碳纖維預熱模的上端穿過熔金屬坩禍底部插入金屬液中，熔金屬坩禍底部通過隔熱密封墊與防氧化罩緊密固聯在一起，預熱模下端裝有隔熱密封墊，熔金屬坩禍上端中心位置貼近金屬液裝有高溫拉拔模，拉拔模上端配有水冷器，水冷器的上部裝有限位卡具和牽引裝置。
[0009]隔熱密封墊的中心孔形狀為圓形或近圓形，與長碳纖維截面形狀相匹配，一方面防止預熱模中的熱量散失，另一方面防止坩禍中金屬液經預熱模流出；長碳纖維預熱模的下部位于防氧化罩中，里面通有惰性氣體，防止長碳纖維預熱過程中被氧化；長碳纖維經過預熱模預熱到一定溫度后，熔金屬坩禍中的金屬液流入預熱模中心孔與長碳纖維的縫隙中，由于預熱模溫度低于金屬液熔點，長碳纖維表面的液態金屬溫度迅速降低，伴隨著液態金屬在長碳纖維表面的浸潤、附著、凝結，實現金屬和長碳纖維界面良好的冶金結合，金屬液在預熱模中逐漸凝固，將長碳纖維包覆在金屬內部，然后以一定的速度由下而上穿過坩禍，與坩禍中熔融的金屬液相接觸，依靠預熱模中形成的固態包覆材料與金屬液間的熱流傳輸，反向凝固獲得一定包覆層厚度的金屬包長碳纖維包覆坯料，剛剛離開金屬液表面的包覆坯料處于高溫狀態，此時高溫拉拔模更容易對其減徑和改善坯料表面質量，最終得到結合良好、尺寸精確的金屬包長碳纖維包覆材料成品。
[0010]長碳纖維預熱模溫度為相應包覆金屬的液相線溫度以下200?600°C的范圍，熔金屬坩禍溫度設定為相應包覆金屬的液相線至液相線以上200°C的范圍，長碳纖維的運行速度為O?3m/min，水冷器中水流速度控制在3?12m/s。
[0011 ] 所述金屬液為鋁液、銀液、銅液。
[0012]本發明的優點在于:
[0013]1、良好控制一種金屬與長碳纖維界面復合效果，在復合的過程中可以精確的控制長碳纖維穿過金屬液的速度，保證了金屬液與長碳纖維充分的接觸反應，隨著液態金屬在長碳纖維表面的浸潤、附著、凝結，實現控制一種金屬與長碳纖維界面良好的冶金結合。
[0014]2、尺寸精度高，一種金屬包長碳纖維包覆材料可以及時的進行高溫拉拔減徑，高溫拉拔模對控制包覆材料尺寸精度高起著關鍵性作用。
[0015]3、效率高，易高效實現一種金屬與長碳纖維包覆及包覆后加工成形為產品的一體化。
【附圖說明】
[0016]圖1為一種金屬包長碳纖維包覆材料反向凝固高溫拉拔制備設備與工藝的原理圖。
[0017]I)牽引裝置；⑵限位卡具；(3)水冷器；⑷金屬包長碳纖