CN103072329A - 一种具有超弹性的复合金属线材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有超弹性的复合金属线材及其制备方法。该具有超弹性的复合金属线材由包套和至少一级芯材组成，第一级芯材为一根丝材，当该具有超弹性的复合金属线材包括二级以上的芯材时，第二级芯材由多股包有包套的第一级芯材组成，之后每一级芯材均由多股包有包套的前一级芯材组成，其中，所述包套由TiNi形状记忆合金制成，所述丝材为金属或合金制成的。本发明还提供了上述具有超弹性的复合金属线材的制备方法。本发明所提供的具有超弹性的复合金属线材能够具有较高的强度和弹性，能够适应对于强度、弹性有较高要求的应用场合。

Description

一种具有超弹性的复合金属线材及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有超弹性的复合金属线材及其制备方法，属于复合材料领域。

背景技术

TiNi形状记忆合金由于具有形状记忆效应、超弹性等功能特性，已广泛用于航空航天、生物医学、新型能源和交通运输等领域。

Ag、Cu是良好的导电材料，但是其块体材料的弹性应变一般不超过0.5％，为了满足一些需要高弹性导体的领域，人们开发了可伸缩导体，目前的可伸缩导体主要有以下两种：一是在柔性聚合物基体上沉积导电金属薄膜，如Ag、Cu等；二是将导电材料弥散到聚合物基体中。这些可伸缩导体的强度(1-10²MPa)较低，限制了其在一些需要高强度、高弹性的场合的应用，而且导线的电导率(0.01-10³S/m)也较低。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种具有超弹性的复合金属线材，该线材采用形状记忆合金材料作为包套材料，具有高强度、高弹性的特点。

本发明的目的还在于提供上述具有超弹性的复合金属线材的制备方法。

本发明的目的还在于提供一种超弹性复合导线。

为达到上述目的，本发明首先提供了一种具有超弹性的复合金属线材，该具有超弹性的复合金属线材由包套和至少一级芯材组成，第一级芯材为一根丝材，当该具有超弹性的复合金属线材包括二级以上的芯材时，第二级芯材由多股包有包套的第一级芯材组成，之后每一级芯材均由多股包有包套的前一级芯材组成，其中，所述包套由TiNi形状记忆合金制成，所述丝材为金属或合金制成的。

在本发明所提供的上述具有超弹性的复合金属线材中，作为第一级芯材的丝材可以是任何具有较好延展性的金属或合金，优选地，上述丝材是由Cu、Fe、Ag、Ta和Ni等中的一种或几种的合金制成的。

本发明所提供的具有超弹性的复合金属线材可以是由一根丝材和包套组成的，也可以是具有多级的、由包套包裹芯材的结构，在多级的结构中，中间被包套包裹的芯材可以是由更细的芯材包裹包套组成的。根据本发明的具体实施方案，优选地，该具有超弹性的复合金属线材包括1-3级芯材。

在本发明所提供的具有超弹性的复合金属线材中，优选地，从第二级芯材开始，每一级芯材均由16股包有包套的前一级芯材组成。

上述具有超弹性的复合金属线材的尺寸、截面形状等可以根据需要进行确定。

本发明还提供了上述具有超弹性的复合金属线材的制备方法，其是通过拉拔、退火等工艺来制备金属线材的方法，该方法包括以下步骤：

将TiNi形状记忆合金制成包套，将金属或合金棒装入包套中，得到第一级初坯；

在室温下对第一级初坯进行拉拔变形，当第一级初坯的冷变形量达到30-50％时进行退火处理，退火温度为600-800℃，退火时间为30min以下；

对退火处理后的第一级初坯进行再次的拉拔，并重复进行退火处理和拉拔若干次，直到达到预定尺寸，得到包有包套的第一级芯材，该包有包套的第一级芯材即为由包套和一级芯材组成的具有超弹性的复合金属线材；

将两股以上的第一级芯材装入TiNi形状记忆合金制成的包套中，再重复进行退火处理和拉拔若干次，直到达到预定尺寸，得到包有包套的第二级芯材，该包有包套的第二级芯材即为由包套和两级芯材组成的具有超弹性的复合金属线材；

重复上述过程多次(即装入、拉拔、退火处理的过程)，直到达到预定尺寸，得到包有包套的第N级芯材，该包有包套的第N级芯材即为由包套和N级芯材组成的具有超弹性的复合金属线材。

在上述制备方法中，优选地，退火温度为750℃，退火时间为10-20min。

对于本发明所提供的具有超弹性的复合金属线材，其尺寸等具体参数可以通过控制复合组装以及拉拔等来进行控制，优选地，该具有超弹性的复合金属线材的直径为0.1-5.0mm。

本发明还提供了一种超弹性金属导线，其是由包套和至少一级芯材组成，第一级芯材为一根丝材，当该超弹性金属导线包括二级以上的芯材时，第二级芯材由多股包有包套的第一级芯材组成，之后每一级芯材均由多股包有包套的前一级芯材组成。其中，包套由TiNi形状记忆合金制成，所述丝材为Cu或Ag制成的。

根据本发明的具体实施方案，优选地，该超弹性金属导线包括1-3级芯材。

根据本发明的具体实施方案，优选地，该超弹性金属导线中，从第二级芯材开始，每一级芯材均由16股包有包套的前一级芯材组成。

据本发明的具体实施方案，优选地，上述超弹性导线由包套和Cu或Ag制成的丝材组成，并且，该超弹性导线的截面为圆形，线材直径为0.42mm，包套内Cu或Ag丝材的直径为0.26mm。通过将导电的铜导线置于TiNi形状记忆合金管中进行拉拔变形加工，最终得到所需直径的超弹导线。由此所获得的超弹导线的强度可达560MPa以上，电导率可达2.1×10⁷S/m，弹性应变可达7％。该超弹性导线在具有高强度、高弹性的同时，还具有高电导率的特点。

上述超弹性导线可以按照上述具有超弹性的复合金属线材的制备方法制备得到。

本发明所提供的技术方案的关键在于以形状记忆合金材料为包套、以金属或合金为芯部制成超弹性线材，使该线材具有较高的强度和弹性，对于该超弹性线材的具体尺寸可以根据实际需要，通过控制拉拔所采用的金属或合金的丝材的尺寸、形状记忆合金制成的包套的尺寸、拉拔工艺参数等来控制。

本发明所提供的具有超弹性的复合金属线材能够具有较高的强度和弹性，能够适应对于强度、弹性有较高要求的应用场合。当采用Cu或Ag与TiNi形状记忆合金时，所得到的超弹性导线在具有高强度、高弹性的同时，还可以具有较高的电导率。

附图说明

图1a为实施例1提供的超弹性导线的宏观照片，图1b和图1c为实施例1提供的超弹性导线的横截面和纵截面扫描电镜背散射照片；

图2为实施例1提供的超弹性导线的循环应力应变曲线；

图3a和图3b为实施例1提供的超弹性导线的电阻随应变变化曲线以及循环稳定性曲线；

图4a-图4f为实施例2提供的超弹性导线的横截面扫描电镜背散射照片；

图5为实施例2提供的超弹性导线的循环应力应变曲线；

图6a和图6b为实施例2提供的超弹性导线的电阻随应变变化曲线以及循环稳定性曲线；

图7a和图7b为实施例3提供的具有超弹性的复合金属丝材的横截面和纵截面扫描电镜背散射照片；

图8a和图8b为实施例3提供的具有超弹性的复合金属丝材的循环应力应变曲线及耗散能随循环应变变化曲线。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供一种超弹性导线(也可以称为具有超弹性的复合金属线材)，其具有一级结构，由TiNi形状记忆合金制成的包套和金属Cu制成的丝材组成，该丝材包裹在包套中。

本实施例提供的超弹性导线是通过以下步骤制备的：

(1)取外径为3mm的Cu丝，将其置于内径为3.2mm、外径为5.2mm的TiNi形状记忆合金制成的管内，然后进行冷拔，每次冷拔量在30％-50％；

(2)将冷拔后的丝材进行750℃、20min退火处理；

(3)将步骤(2)处理后的材料进一步进行冷拔，每次冷拔量在30％-50％；

(4)重复步骤(2)和(3)，直到得到预定尺寸的超弹性导线。

本实施例得到的超弹性导线(其宏观照片如图1a所示)的直径为0.42mm，芯材(或者说第一级芯材)直径为0.26mm，其横截面和纵截面分别如图1b和图1c所示。

该超弹性导线的循环应力应变曲线如图2所示，由图2的内容可以看出该超弹性导线具有7％的超弹性变形，远高于普通Cu导线弹性应变的0.3％。

采用四探针方法对本实施例提供的超弹性导线的导电性能进行检测，通过检测发现其电导率为2.1×10⁷S/m，与纯Cu～4.4×10⁷S/m的电导率率相当。

该超弹性导线的电阻随应变变化曲线以及循环稳定性曲线分别如图3a和图3b所示，由图3a和图3b的结果可以看出在超弹性循环范围内，本实施例提供的超弹性导线的电阻变化率很小。

实施例2

本实施例提供一种超弹性导线，其具有六级结构，第一级芯材为一根Ag制成的丝材，第二级芯材为16股由TiNi形状记忆合金制成的包套包裹的第一级芯材，依此类推，该超弹性导线由第六级芯材与TiNi形状记忆合金制成的包套组成。

本实施例提供的超弹性导线是通过以下步骤制备的：

(1)取外径为1.6mm的Ag丝，将其置于内径为1.7mm、外径为2.3mm的TiNi形状记忆合金制成的管内，然后进行冷拔，每次冷拔量在30％-50％；

(2)将冷拔后的丝材进行750℃、20min退火处理；

(3)将步骤(2)处理后的材料进一步进行冷拔，每次冷拔量在30％-50％；

(4)重复步骤(2)和(3)，直到得到直径为0.36mm的超弹性金属丝材，得到包括由包套包裹的第一次芯材；

(5)将直径为0.36mm的超弹性金属丝材截成若干段；

(6)将步骤(5)中截下的16根直径为0.36mm的超弹性金属丝材置于内径为1.7mm、外径为2.3mm的TiNi形状记忆合金管内，然后进行冷拔，每次冷拔量在30％-50％；

(7)重复步骤(2)-(4)四次，直到得到所需尺寸的丝材，即具有六级结构的超弹性导线。

本实施例得到的超弹性导线的直径为0.36mm，其横截面如图4a-图4f所示，依次为六级结构的截面图。

该超弹性导线的应力应变曲线如图5所示，由图5可以看出该超弹性导线具有7％的超弹性变形，远高于普通Ag导线弹性应变的0.3％。

三级束拉拔后的超弹性导线的电导率为1.2×10⁷S/m，与纯银5.0x10⁷S/m的电导率相当。

该超弹性导线的电阻随应变变化曲线以及循环稳定性曲线分别如图6a和6b所示，由图6a和图6b的内容可以看出在超弹性循环范围内，该超弹性导线的电阻变化率很小。

实施例3

本实施例提供一种具有超弹性的复合金属线材，其具有一级结构，由TiNi形状记忆合金制成的包套和金属Fe制成的丝材组成，该丝材包裹在包套中。

本实施例提供的具有超弹性的复合金属线材是通过以下步骤制备的：

(1)取外径为3mm的Fe丝，将其置于内径为3.2mm、外径为5.2mm的TiNi形状记忆合金管内，然后进行冷拔，每次冷拔量在30％-50％；

(2)将冷拔后的丝材进行750℃、20min退火处理；

(3)将步骤(2)处理后的材料进一步进行冷拔，每次冷拔量在30％-50％；

(4)重复步骤(2)和(3)，直到得到预定尺寸的具有超弹性的复合金属线材。

本实施例得到的具有超弹性的复合金属线材的直径为0.33mm，芯部直径为0.18mm，其横截面和纵截面分别如图7a和图7b所示。该具有超弹性的复合金属线材的循环应力应变曲线如图8a所示，由图8a可以看出该具有超弹性的复合金属线材具有7％的超弹性变形，远高于普通Fe导线弹性应变的0.3％。同时具有比纯TiNi形状记忆合金更高的阻尼特性，如图8b所示。

实施例4

本实施例提供一种具有超弹性的复合金属线材，其具有一级结构，由TiNi形状记忆合金制成的包套和金属Ni制成的丝材组成，该丝材包裹在包套中。

本实施例提供的具有超弹性的复合金属线材是通过以下步骤制备的：

(1)取外径为3mm的Ni丝，将其置于内径为3.2mm、外径为5.2mm的TiNi形状记忆合金管内，然后进行冷拔，每次冷拔量在30％-50％；

(2)将冷拔后的丝材进行750℃、20min退火处理；

(3)将步骤(2)处理后的材料进一步进行冷拔，每次冷拔量在30％-50％；

(4)重复步骤(2)和(3)，直到得到预定尺寸的具有超弹性的复合金属线材。

实施例5

本实施例提供一种具有超弹性的复合金属线材，其具有一级结构，由TiNi形状记忆合金制成的包套和金属Ta制成的丝材组成，该丝材包裹在包套中。

本实施例提供的具有超弹性的复合金属线材是通过以下步骤制备的：

(1)取外径为3mm的Ta丝，将其置于内径为3.2mm、外径为5.2mm的TiNi形状记忆合金管内，然后进行冷拔，每次冷拔量在30％-50％；

(2)将冷拔后的丝材进行750℃、20min退火处理；

(3)将步骤(2)处理后的材料进一步进行冷拔，每次冷拔量在30％-50％；

(4)重复步骤(2)和(3)，直到得到预定尺寸的具有超弹性的复合金属线材。

Claims (9)

1.一种具有超弹性的复合金属线材，该具有超弹性的复合金属线材由包套和至少一级芯材组成，第一级芯材为一根丝材，当该具有超弹性的复合金属线材包括二级以上的芯材时，第二级芯材由多股包有包套的第一级芯材组成，之后每一级芯材均由多股包有包套的前一级芯材组成，其中，所述包套由TiNi形状记忆合金制成，所述丝材为金属或合金制成的。

2.根据权利要求1所述的具有超弹性的复合金属线材，其中，所述丝材由Cu、Fe、Ag、Ta和Ni中的一种或几种的合金制成。

3.根据权利要求1或2所述的具有超弹性的复合金属线材，其中，该具有超弹性的复合金属线材包括1-6级芯材。

4.根据权利要求1所述的具有超弹性的复合金属线材，其中，从第二级芯材开始，每一级芯材均由16股包有包套的前一级芯材组成。

5.权利要求1-4任一项所述的具有超弹性的复合金属线材的制备方法，其包括以下步骤：

将TiNi形状记忆合金制成包套，将金属或合金棒装入包套中，得到第一级初坯；

在室温下对第一级初坯进行拉拔变形，当第一级初坯的冷变形量达到30-50％时进行退火处理，退火温度为600-800℃，退火时间为30min以下；

对退火处理后的第一级初坯进行再次的拉拔，并重复进行退火处理和拉拔若干次，直到达到预定尺寸，得到包有包套的第一级芯材，该包有包套的第一级芯材即为由包套和一级芯材组成的具有超弹性的复合金属线材；

将两股以上的第一级芯材装入TiNi形状记忆合金制成的包套中，再重复进行退火处理和拉拔若干次，直到达到预定尺寸，得到包有包套的第二级芯材，该包有包套的第二级芯材即为由包套和两级芯材组成的具有超弹性的复合金属线材；

重复上述过程多次，直到达到预定尺寸，得到包有包套的第N级芯材，该包有包套的第N级芯材即为由包套和N级芯材组成的具有超弹性的复合金属线材。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述退火温度为750℃，退火时间为10-20min。

7.一种超弹性金属导线，其是由包套和至少一级芯材组成，第一级芯材为一根丝材，当该超弹性金属导线包括二级以上的芯材时，第二级芯材由多股包有包套的第一级芯材组成，之后每一级芯材均由多股包有包套的前一级芯材组成，其中，所述包套由TiNi形状记忆合金制成，所述丝材为Cu或Ag制成的。

8.根据权利要求7所述的超弹性金属导线，其中，该超弹性金属导线包括1-3级芯材。

9.根据权利要求7所述的超弹性金属导线，其中，从第二级芯材开始，每一级芯材均由16股包有包套的前一级芯材组成。

Images