一种铜基石墨烯光纤电缆的制作方法
【专利摘要】一种铜基石墨烯光纤电缆，包括：石英光纤纤芯，石英光纤包层，铜镀层，石墨烯层，保护绝缘层，单根铜基石墨烯光纤；其特征在于石英光纤纤芯外层包裹一层石英光纤包层，在石英光纤包层上镀上一层铜镀层，在铜镀层的外层沉积生长一层石墨烯层，构成单根铜基石墨烯光纤。石墨烯导电层是电力传输介质，内部的石英光纤是光信号传输介质，光信息信号从石英光纤传输，在同一根铜基石墨烯光纤电缆里实现电力和光信号的同步传输。
【专利说明】
一种铜基石墨烯光纤电缆
【技术领域】
[0001 ]本实用新型电力输电领域，具体涉及一种可以同时输送电力和传输信号的电力光缆即一种铜基石墨烯光纤电缆。
【背景技术】
[0002]电光缆也就是电力光缆是指把光纤放置在架空高压输电线的地线中，用以构成输电线路上的光纤通信网，这种结构形式兼具地线与通信双重功能，一般称作OPGW光缆，还有一种是在传统的相线结构中将光纤单元复合在导线中的光缆，是充分利用电力系统自身的线路资源，特别是电力配网系统，避免在频率资源、路由协调、电磁兼容等方面与外界的矛盾，使之具有传输电能及通信的双重功能。
[0003]从目前来看，电力光纤主要是把金属电缆和石英光纤简单的复合在一起，这样制作工艺复杂，成本高，且由于光纤和电缆简单的复合，由于两种材质属性不一样，导致产品一致性差，且安装使用复杂，难以推广应用。
[0004]石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小，同时，石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 ff/ (m.K)，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15 000 cm2 / (V.S)，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6 Ω._，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。
[0005]石墨烯与石英具有很好的亲和力，把石墨烯和光纤结合在一起，形成一种新的石墨烯电光缆，但是石墨烯很难直接附着在石英光纤表层，就目前技术而言，石墨烯层生成也只能在铜、金、钼等几种有限金属基底上生长，而当前在石英光纤上镀层金属工艺，镀铜覆膜是较成熟工艺，把石英光纤先进行金属铜镀膜，在镀膜金属铜上生长石墨烯是石墨烯光纤电缆的一种很好的解决方案。
【发明内容】
[0006]为了解决现有石墨烯电光缆存在的问题，解决传统电光缆成本高，安装维护困难控制系统复杂，安全可靠性低问题。本实用新型提供一种铜基石墨烯光纤电缆。本实用新型为实现其目的所采取的技术方案:一种铜基石墨烯光纤电缆，包括:石英光纤纤芯，石英光纤包层，铜镀层，石墨烯层，保护绝缘层，单根铜基石墨烯光纤。其特征在于石英光纤纤芯外层包裹一层石英光纤包层，在石英光纤包层上镀上一层铜镀层，在铜镀层的外层沉积生长一层石墨烯层，构成单根铜基石墨烯光纤，由于石墨烯具有高导电性，其电子迁移率是铜的100倍以上，石墨烯导电层是电力传输介质，由于铜的电导率比石墨烯低很多，经过铜镀层的电子较少，对光纤纤芯起到信号屏蔽，使光纤纤芯的光信号不受外层导电层的电信号影响，保证了光信号的稳定性和低衰减性，内部的石英光纤是光信号传输介质，光信息信号从石英光纤传输，在同一根铜基石墨烯光纤电缆里实现电力和光信号的同步传输。
[0007]优选的铜基石墨烯光纤，其特征在于单根铜基石墨烯光纤的石英纤芯直径在120-125Mm,铜基石墨烯光纤的直径在121_137Mm，其中，铜镀层的厚度为l_6Mm，石墨烯层的厚度为 0.01-0.005Mm。
[0008]优选的铜基石墨烯光纤，其特征在于由1-1000根铜基石墨烯光纤，构成一束铜基石墨烯光缆，外面包裹绝缘层，绝缘层为聚乙烯或聚氯乙烯，构成铜基石墨烯光纤电缆，石墨烯导电层是电力传输介质，内部的石英光纤是光信号传输介质，在同一根铜基石墨烯光纤电缆里实现电力和光信号的同步传输。
[0009]优选的石英光纤镀铜方法是湿法化学镀铜方法，主要由可溶性铜盐、还原剂、络合齐U、稳定剂，PH调整剂和去离子水溶液组成的混合液体，单质铜以化学键的固化方式固定在石英光纤的表层。
[0010]优选的石墨烯层，其特征在于石墨烯层为二维六角型呈蜂巢晶格的平面单原子层薄膜，附着在铜镀层上的石墨烯层数为1-10层。
[0011]石墨烯层在石英光纤铜镀层上直接生长，在一定的石墨烯悬浊液中加入铜镀层石英光纤，经超声振荡，使石墨烯结晶生长在石英光纤的铜镀层上。
[0012]优选的石墨烯层在石英光纤铜镀层的生长方式，可以是无氧环境热化学气象沉降法和等离子无氧环境化学气象沉降法在石英光纤铜镀层上生长石墨烯层。
[0013]优选的石墨烯层在石英光纤铜镀层的生长方式，可以是含碳的单质或化合物可以粘附在石英光纤铜镀层上或在石英光纤铜镀层旁边，通过气化结晶的方式，生长在石英光纤的铜镀层上。
[0014]本实用新型的有益效果
[0015]1、由于采用了石墨烯作为导电体，大大降低了导体的电阻率，提高了输电效率，石墨烯强度大，质量轻便于安装维护，同时，石墨烯耐氧化不腐蚀，使电缆寿命大大加强。
[0016]2、在石英光纤的包膜层上首先化学法镀上一层金属铜，使石墨烯层沉积生长在铜镀层上，生产工艺简单，石墨烯附着力强，石墨烯电光缆性能稳定可靠。
[0017]3、米用输电和传输信息一体化设计,改变了传统输电和信息传输模式，实现一根电缆具备输电和传输信息的双重功能。
[0018]由于采用了上述技术方案，从而使本实用新型实解决传统电力电缆应用的制约条件，石墨烯与光纤的有机结合，实现了输电的高效，低成本，安全可靠，有利于电力和通信事业的发展。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0020]图1为本实用新型一种铜基石墨烯光纤电缆截面结构示意图:
[0021]1、石英光纤纤芯，2、石英光纤包层，3、铜镀层，4、石墨烯层，5、保护绝缘层，6、单根铜基石墨稀光纤。
【具体实施方式】
[0022]结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步介绍，一种铜基石墨烯光纤电缆，包括:石英光纤纤芯1，石英光纤包层2，铜镀层3，石墨烯层4，保护绝缘层5。其特征在于石英光纤纤芯I外层包裹一层石英光纤包层2,在石英光纤包层2上镀上一层铜镀层3,在铜镀层3的外层沉积生长一层石墨烯层4，构成单根铜基石墨烯光纤6，由于石墨烯具有高导电性，其电子迁移率是铜的100倍以上，石墨烯导电层是电力传输介质，由于铜的电导率比石墨烯低很多，经过铜镀层3的电子较少，对光纤纤芯I起到信号屏蔽，使光纤纤芯I的光信号不受外层导电层的电信号影响，保证了光信号的稳定性和低衰减性，内部的石英光纤是光信号传输介质，在同一根铜基石墨烯光纤电缆里实现电力和光信号的同步传输。
[0023]优选的铜基石墨烯光纤，其特征在于单根铜基石墨烯光纤的石英纤芯I直径在120-125Mm,铜基石墨烯光纤的直径在121_137Mm，其中，铜镀层3的厚度为0.5_5Mm，石墨烯层4的厚度为0.01-0.005Mm。
[0024]优选的铜基石墨烯光纤，其特征在于由1-1000根铜基石墨烯光纤6，构成一束铜基石墨烯光缆，外面包裹绝缘层5，绝缘层5为聚乙烯或聚氯乙烯，构成铜基石墨烯光纤电缆，石墨烯导电层是电力传输介质，内部的石英光纤是光信号传输介质，在同一根铜基石墨烯光纤电缆里实现电力和光信号的同步传输。
[0025]优选的石英光纤铜镀层3，其特征在于石英光纤镀铜方法是湿法化学镀铜方法，主要由可溶性铜盐、还原剂、络合剂、稳定剂，PH调整剂和去离子水溶液组成的混合液体，使单质铜以化学键的固化方式固定在石英光纤的表层。
[0026]优选的石墨烯层4，其特征在于石墨烯层为二维六角型呈蜂巢晶格的平面单原子层薄膜，附着在铜镀层上的石墨烯层数为1-10层。
[0027]石墨烯层在石英光纤铜镀层上直接生长，在一定的石墨烯悬浊液中加入铜镀层石英光纤，经超声振荡，使石墨烯结晶生长在石英光纤的铜镀层上。
[0028]优选的石墨烯层在石英光纤铜镀层的生长方式，可以是无氧环境热化学气象沉降法和等离子无氧环境化学气象沉降法在石英光纤铜镀层上生长石墨烯层。
[0029]优选的石墨烯层在石英光纤铜镀层的生长方式，可以是含碳的单质或化合物可以粘附在石英光纤铜镀层上或在石英光纤铜镀层旁边，通过气化结晶的方式，生长在石英光纤的铜镀层上。
[0030]实施例:选用一根石英光纤，先在石英光纤上镀铜，其步骤:一、去除石英光纤的保护层，由于石英光纤的主要成分是Si02，直径在120 μ m左右，易于受损或折断，因此在光纤外面包裹一层硅氧烷树脂等类的有机保护层以增其柔韧性并起保护作用，除去这层保护层的方法可以采用机械的方法，用手工刀具剥离，然后用95%的硫酸溶液在150Π90?的温度下反应10-15分钟，彻底的去除保护层的硅氧烷树脂等有机保护层，然后用去离子水清洗干净并干燥。二、除去保护层的光纤进入粗化阶段，用含有HF或F-的强酸溶液对其进行弱腐蚀，选用HF =H2SiF6 =H2O=I:1:2(体积比)的溶液，在60_120°C的温度下，粗化8-10分钟。三、敏化处理就是使具有一定吸附能力的制件表面吸附一些易氧化的物质(还原剂)，而后在活化处理时，吸附的敏化剂被氧化，活化剂被还原成催化晶核，吸附在制件表面，为下一步的化学沉积提供必要的条件，敏化液用含氯化亚锡10g/L，盐酸40mL/L的溶液，敏化时间为5min。四、活化是借助于有催化活性的金属化合物的溶液，对经过敏化的表面进行活化处理。可选用含0.25g/L氯化钯，2.5mL/L盐酸的活化液，在常温下活化6-8分钟。五、把与处理好的表面活化的光纤进行镀铜，镀铜镀液为含10g/L硫酸铜(CuS04.5H20)，40g/L 酒石酸钾钠(NaKC4H406.4H20)，8g/L 氢氧化钠(NaOH)，2g/L 碳酸钠(Na2C03), lg/L 氯化镍(NiC12.6H20)，20mL/L 甲醛(HCH0(37%))的镀液，按重量百分比组成一定量的镀液，在温度20°C?25°C，pH为12.(Γ12.5范围内镀铜30-50分钟，把镀好铜的石英光纤经去离子水漂洗干净，干燥后待用。
[0031]在附着有金属铜镀层的石英光纤进行石墨烯生长，取一根干净的已经镀铜的石英光纤，在一定空间内通过化学气象沉降方式，使用甲烷等含碳气体作为碳源，在900-1250°C进行石墨烯的生长，具体步骤如下，步骤一:铜镀石英光纤表面预处理，在500-1000°C和通入高纯氮气情况下使铜镀石英光纤的表面产生合适的着碳位点，时间为10-30分钟；步骤二:将产生着碳位点的铜镀石英光纤冷却至100-200°C，停掉氮气源；步骤三:把产生着碳位点的铜镀石英光纤再次升温至900-1200°C，并通入甲烷等含碳气体，使甲烷等含碳气体在高温下分解，释放碳原子，时间为30-120分钟，慢慢地在铜镀石英光纤的铜表面上生长石墨烯层；步骤四:缓慢降温至室温，取出表面生长有石墨烯层的石英光纤，制作完成石墨烯-石英光纤电光导体，把多根石墨烯-石英光纤束结在一起，外面包裹绝缘聚乙烯或聚氯乙烯，构成一根石墨烯电光缆。
[0032]上述实施例只是说明本实用新型的技术构思及特点，其目的是让本领域的普通技术人员能够了解本实用新型的特点并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡是根据本实用新型内容的实质所进行的等效变化或修饰，均应涵盖在本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种铜基石墨烯光纤电缆，包括:石英光纤纤芯，石英光纤包层，铜镀层，石墨烯层，保护绝缘层，单根铜基石墨烯光纤；其特征在于:石英光纤纤芯外层包裹一层石英光纤包层，在石英光纤包层上镀上一层铜镀层，在铜镀层的外层沉积生长一层石墨烯层，构成单根铜基石墨稀光纤。
2.根据权利要求1所述的一种铜基石墨烯光纤电缆，其特征在于:单根铜基石墨烯光纤的石英纤芯直径在120-125Wn，铜基石墨烯光纤的直径在121_137Wn，其中，铜镀层的厚度为0.1_6μιη，石墨烯层的厚度为0.01-0.05μιη。
【文档编号】H01B9/02GK204143944SQ201420572567
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月3日 优先权日:2014年10月3日
【发明者】王干, 周兴国, 叶春逢 申请人:王干