一种基于石墨烯纳米材料的导线的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于石墨烯纳米材料的导线，属于架空输电线路用导线【技术领域】，解决铝铜等传统金属材料导电率提高有限，架空输电线路输送容量有限的问题。导线包括两种结构，形式一：导线包括内层和外层，内层由钢或碳纤维的单丝、石墨烯纳米材料的纳米管单丝或复合式单丝绞绕而成，外层由圆弧型石墨烯纳米材料薄片绞绕而成；形式二：导线由圆线型石墨烯纳米材料的纳米管单丝或复合式单丝绞绕而成，单丝之间相互紧贴，形成规整的管型结构，其中，复合式单丝的圆形截面为碳纤维复合材料，圆形截面内部为石墨烯纳米材料。本发明导线能有效降低线路损耗，提高架空输电线路的输送功率，外界条件相同情况下石墨烯导线的允许载流量为普通导线的10倍。
【专利说明】—种基于石墨烯纳米材料的导线
【技术领域】
[0001]本发明属于架空输电线路导线【技术领域】，具体涉及一种基于石墨烯纳米材料的导线。
【背景技术】
[0002]输电线路的损耗主要取决于导线的电阻，应用高导电率导线不但可以显著降低输电线路损耗，还能增加输送能力，降低全寿命周期成本，实现节能减排。
[0003]近年来国内陆续研发了的高导电率导线，主要从金属材料成分方面提高导线的导电率，这些导线仍采用传统的金属材料，导电能力提高有限。
[0004]如申请号为CN200810194862.7，发明名称为一种高导电率软铝线及其制造方法的发明专利，公开了一种高导电率软铝线及制造方法，软铝线的成分包括:Si < 0.08% ；Fe ^ 0.20%, Cu ^ 0.005% ;0.07-0.15%的硼，余为铝；单位为重量百分数。其利用软铝线降低输电线路损耗，从而有效降低运行费用。其改进主要是传统铝导线的成分，改进效果有限。
[0005]又如申请号为CN200610002114.5，发明名称为铜合金导体及其架空导线、电缆以及铜合金导体的制造方法的发明专利，是对传统铜合金材料的成分进行的改进。其技术方案为:铜合金导体是由在含有氧0.001~0.1重量％ (10~1000重量ppm)的铜母材中含有0.15~0.70重量％ (不包括0.15重量％ )Sn的铜合金所构成,构成结晶组织的晶粒的平均粒径小于等于100 μ m,并且在结晶组织基体中弥散分布的Sn的氧化物的80%或以上是平均粒径小于等于I μ m的微小氧化物。
[0006]同时，也有从导体材料的制备工艺方面进行改进的专利技术，如申请号为CN201210073600.1，发明名称为节能高强度铝合金线及其制造方法的发明专利申请，专利申请通过熔炼、调配铝合金、净化、炉前快速分析、细化晶体、除气、保温过滤、水平浇铸、进轧控制和铝杆轧制、铝线拉拔和实效退火制备出产品铝合金线。铝合金线导电率在53.5%IACS以上，强度≥325MPa，其余性能满足《架空导线用铝-镁-硅合金圆线》中LHAl的技术要求。
[0007]石墨烯材料具有优异的电气和机械性能，导电率约是铝的3倍，铜的1.85倍，材料导电性能稳定。同时，石墨烯材料是最薄、最坚硬的纳米材料，具有极强的抗拉能力(约IOOGPa)。
[0008]新型纳米材料石墨烯的研究历史较短，由于其优异的材料特性，国内外在制备及应用研究方面，开展了大量的研究工作，取得了突破性的研究成果。
[0009]石墨烯材料制备方面，韩国科学家发现制备大尺寸、高质量石墨烯薄膜的方法；美国研究人员开发了制造石墨烯和碳纳米管混合材料的新方法，为石墨烯纳米材料的工业化应用奠定了坚实的基础。
[0010]石墨烯材料性能研究方面，国内外研究人员在材料的导电性、导热性，以及应用研究等领域研究开展了大量的研究工作，为石墨烯纳米材料的应用研究提供了理论和工程应用依据。
[0011]石墨烯材料应用研究方面，IBM公司研制出运行速度最快的石墨烯晶体管，此外，光子传感器、纳米电子器件、太阳能电池、增强复合材料等，也都是目前石墨烯应用研究领域的热点。在电力传输领域，美国科研人员利用石墨烯设计出了简便、快速的纳米电线制造方法，能够调谐石墨烯的电学特征，但其应用主要集中在微电子领域，石墨烯材料在架空输电线路用导线领域的应用研究仍属空白。
【发明内容】
[0012]本发明目的在于提供一种基于石墨烯纳米材料的导线，解决铝铜等传统金属材料导电率提高有限，进而架空输电线路输送容量有限的问题，石墨烯纳米材料的导线能有效降低线路损耗，提高架空输电线路的输送功率。
[0013]为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为:
[0014]一种基于石墨烯纳米材料的导线，其改进之处在于所述导线的结构为:
[0015]形式一:所述导线包括内层和外层，所述内层由圆线型单丝绞绕而成，单丝之间相互紧贴，形成规整的管型结构，所述外层设置于内层的外围，所述外层的横截面为圆形结构；
[0016]所述内层由钢或碳纤维的单丝、石墨烯纳米材料的纳米管单丝或复合式单丝绞绕而成，所述外层由石墨烯纳米材料薄片绞绕而成；
[0017]所述石墨烯纳米材料薄片为圆弧形结构，圆弧角a取值范围25° < a < 30° ;
[0018]形式二:所述导线由圆线型单丝绞绕而成，单丝之间相互紧贴，形成规整的管型结构；
[0019]所述单丝为石墨烯纳米材料的纳米管单丝或复合式单丝绞绕而成；
[0020]其中，所述复合式单丝的圆形截面为碳纤维复合材料，圆形截面内部为石墨烯纳米材料。
[0021]本发明的另一优选技术方案为:所述石墨烯纳米材料薄片沿其圆周方向均匀分布。
[0022]本发明的再一优选技术方案为:所述石墨烯纳米材料薄片之间设有间隙。
[0023]本发明的又一优选技术方案为:所述石墨烯纳米材料薄片构成的圆环与所述导线同圆心。
[0024]本发明的再一优选技术方案为:所述相邻层的绞绕方向相反。
[0025]本发明的又一优选技术方案为:所述单丝绞绕成η层结构，η为大于I的自然数。
[0026]本发明的再一优选技术方案为:位于同一层的所述单丝沿其圆周方向均匀分布。
[0027]由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果包括:
[0028]I)输电线路电损降低
[0029]本发明导线采用石墨烯纳米材料作为导电部分，导电率比铝和铜等传统金属材料提高3倍以上，在其他外界条件相同的情况下，相同导电截面的石墨烯导线的允许载流量为普通导线的10倍；因此石墨烯纳米材料导线能显著降低线路损耗，同时提高导线拉重t匕，改善导线弧垂性能，降低杆塔高度，增大线路档距，节省线路投资；
[0030]2)输电线路输送功率提高[0031]石墨烯纳米材料导线能大幅提高输送功率，输电线路输送容量增大；
[0032]3)输电线路抗拉能力提闻
[0033]由于石墨烯纳米材料具有极强的抗拉能力，作为导线的承力部分或导电部分，均能显著提高导线的抗拉能力。
[0034]4)导线通用性能良好
[0035]本发明的基于石墨烯纳米材料导线具有不同结构型式，能够满足不同输送功率要求和不同线路运行要求，适用能力较好。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]下面结合附图对本发明进一步说明。
[0037]图1是附着式石墨烯纳米材料导线；
[0038]图2是纳米管式石墨烯纳米材料导线；
[0039]图3是复合式石墨烯纳米材料导线；
[0040]图4是附着纳米管式石墨烯导线；
[0041]图5是附着复合式石墨烯导线。
【具体实施方式】
[0042]下面结合实例对本发明进行详细的说明。
[0043]本发明提供了一种基于石墨烯纳米材料的导线应用于架空输电线路，导线具有优异的导电性能，能够显著降低输电线路的电损，提高输电线路的输送功率。导线具有不同的结构形式，具体结构如下。
[0044]结构型式一:附着式石墨烯纳米材料新型导线
[0045]如附图1所示，内层为钢或碳纤维等复合材料绞制而成，主要作为承力作用，以及石墨烯纳米材料新型导线的基底，外层为石墨烯纳米材料薄片绞制而成，是架空用输电线路导线的导电部分。其中内层的钢芯或碳纤维复合芯的层数，以及外层石墨烯纳米材料的片数，可根据线路实际输送容量及线路运行要求设计。
[0046]钢或碳纤维材料制备成圆线型单丝，单丝之间相互紧贴，绞绕成规则管型结构作为导线的内层，在导线内层的外围设置由石墨烯纳米材料薄片，石墨烯纳米材料薄片构成横截面积为圆形的外层，石墨烯纳米材料薄片沿其圆周方向均匀的分布在外层，石墨烯纳米材料薄片等间距放置。石墨烯纳米材料薄片为圆弧结构，根据目前型线设计方法，本专利中石墨烯纳米材料薄片取12?15片，相应的圆弧角a的取值范围为25° < a < 30°。
[0047]结构型式二:纳米管式石墨烯纳米材料新型导线
[0048]如附图2所示，石墨烯材料既作为导线结构，也作为承力和基底结构，由不同直径及数量的石墨烯材料纳米管绞制而成。其中石墨烯材料纳米管的直径及数量根据线路设计输送容量及线路运行要求设计。
[0049]石墨烯材料纳米管作为单丝，绞绕成规则的管型结构，单丝之间相互紧贴，位于同一层单丝的中心轴线构成圆形。
[0050]结构型式三:复合式石墨烯纳米材料新型导线
[0051]如图3所示，圆形截面部分为基底材料，可选用碳纤维等能满足导线制造和运输要求的复合材料，石墨烯纳米材料作为导线部分，与碳纤维等材料复合成单丝，进而根据需要绞制成满足工程需要的导线。其中复合式石墨烯材料直径及根数根据线路设计输送容量及线路运行要求设计。
[0052]复合式石墨烯材料作为单丝，绞绕成规则的管型结构，单丝之间相互紧贴，位于同一层单丝的中心轴线构成圆形。
[0053]结构型式四:组合式石墨烯纳米材料新型导线
[0054]即以上三种型式的组合型式，即附着纳米管式新型石墨烯导线、附着复合式新型石墨烯导线等结构形式。
[0055]如图4所述为附着纳米管式新型石墨烯导线，即以石墨烯纳米管作为单丝，绞绕成规则的管型结构作为内层，单丝之间相互紧贴；在导线内层的外围设置由石墨烯纳米材料薄片，石墨烯纳米材料薄片构成横截面积为圆形的外层，石墨烯纳米材料薄片沿其圆周方向均匀的分布在外层。石墨烯纳米材料薄片为圆弧结构，圆弧角a的取值范围同结构型
式一O
[0056]图5所示为附着复合式新型石墨烯导线，即以结构形式三所述的复合式石墨烯，石墨烯纳米材料作为导线部分，与碳纤维等材料复合成单丝，然后将单丝绞绕成规则的管型结构作为内层，单丝之间相互紧贴；在导线内层的外围设置由石墨烯纳米材料薄片，石墨烯纳米材料薄片构成横截面积为圆形的外层，石墨烯纳米材料薄片沿其圆周方向均匀的分布在外层。石墨烯纳米材料薄片为圆弧结构，圆弧角a的取值范围同结构型式一。
[0057]在其他外界条件相同的情况下，本发明石墨烯纳米材料新型导线载流量，是相同导电截面普通导线载流量的10倍。其中导线载流量的计算依据我国现行标准，具体采用的计算公式如下:
[0058]
【权利要求】
1.一种基于石墨烯纳米材料的导线，其特征在于所述导线的结构为: 形式一:所述导线包括内层和外层，所述内层由圆线型单丝绞绕而成，单丝之间相互紧贴，形成规整的管型结构，所述外层设置于内层的外围，所述外层的横截面为圆形结构； 所述内层由钢或碳纤维的单丝、石墨烯纳米材料的纳米管单丝或复合式单丝绞绕而成，所述外层由石墨烯纳米材料薄片绞绕而成； 所述石墨烯纳米材料薄片为圆弧形结构，根据目前型线设计方法，本专利中石墨烯纳米材料薄片取12?15片，相应的圆弧角a取值范围为25° < a < 30° ; 形式二:所述导线由圆线型单丝绞绕而成，单丝之间相互紧贴，形成规整的管型结构； 所述单丝为石墨烯纳米材料的纳米管单丝或复合式单丝绞绕而成； 其中，所述复合式单丝的圆形截面为碳纤维复合材料，圆形截面内部为石墨烯纳米材料。
2.如权利要求1所述的一种基于石墨烯纳米材料的导线，其特征在于所述石墨烯纳米材料薄片沿其圆周方向均匀分布。
3.如权利要求1所述的一种基于石墨烯纳米材料的导线，其特征在于所述石墨烯纳米材料薄片之间设有间隙。
4.如权利要求1所述的一种基于石墨烯纳米材料的导线，其特征在于所述石墨烯纳米材料薄片构成的圆环与所述导线同圆心。
5.如权利要求1所述的一种基于石墨烯纳米材料的导线，其特征在于所述相邻层的绞绕方向相反。
6.如权利要求1所述的一种基于石墨烯纳米材料的导线，其特征在于所述单丝绞绕成η层结构，η为大于I的自然数。
7.如权利要求1所述的一种基于石墨烯纳米材料的导线，其特征在于位于同一层的所述单丝沿其圆周方向均匀分布。
【文档编号】H01B1/04GK103700440SQ201210367402
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年9月28日 优先权日:2012年9月28日
【发明者】朱宽军, 李新民, 司佳钧 申请人:中国电力科学研究院, 国家电网公司