金属笼框结构紧束缚烯碳粉末复合导线及其制备方法

1.本发明涉及导线技术领域，具体涉及金属笼框结构紧束缚烯碳粉末复合导线及其制备方法。


背景技术：

2.全球碳中和、碳达峰背景下，急需发展绿色和清洁能源生产、运输和存储技术。电能作为各种清洁能源载体中重要的一种，在输送途中存在不可避免的欧姆电阻损耗。前述石墨烯金属复合导线及其制备方法(申请号：202110858313.0)，电阻降低幅度较小、电导率提升不明显，和石墨烯的理论电导存在着比较大差距。文献(jacs.131(49)(2009)17728-17729)计算表明sp2杂化结构的石墨类碳材料导电性具有方向特性，平行于石墨碳原子层的方向最好，垂直与石墨碳原子层方向的导电性很差。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种金属笼框结构紧束缚烯碳粉末复合导线及其制备方法，优化电子在烯碳材料界面的传输路径，以期解决背景技术中存在的技术问题。
4.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
5.金属笼框结构紧束缚烯碳粉末的复合导线，包括具有紧束缚能力的笼框状结构材料，包括但不限于金属，在金属的表面及内部孔设有烯碳材料。
6.在一些实施例中，所述具有笼框状结构的金属包括但不限于金属泡沫、同轴金属、金属网堆叠的金属框架结构。
7.在一些实施例中，所述金属的表面包括内表面和外表面。
8.在一些实施例中，所述烯碳材料组成为高导电碳材料，包括但不限于含有sp2杂化的有序结构的石墨烯、碳纳米管、卡拜碳等烯碳材料。
9.在一些实施例中，所述高导电碳材料可以是异原子掺杂处理烯碳材料；包括但不限于硼元素掺杂石墨烯、氮元素掺杂石墨烯、磷元素掺杂石墨烯、硫元素掺杂石墨烯、低含量氧元素掺杂石墨烯、氢化石墨烯、硼元素掺杂碳纳米管、氮元素掺杂碳纳米管、磷元素掺杂碳纳米管、硫元素掺杂碳纳米管、低含量氧元素掺杂碳纳米管、氢化碳纳米管。
10.本发明还提供了一种金属笼框结构紧束缚烯碳粉末复合导线的制备方法，包括上述的金属笼框结构紧束缚烯碳粉末的复合导线，包括以下步骤：
11.a.将笼框状金属剪裁成线状；
12.b.将烯碳材料按一定质量比例添加到水、乙醇或两者任意比例的混合液中，搅拌或超声分散；
13.c.将烯碳材料的混合液抽滤并充分干燥；
14.d.在笼框状金属线的内孔及表面涂覆烯碳材料；
15.e.用0.5～20mpa的压力压合使其成为金属笼紧束缚烯碳复合导线。
16.有益效果
17.金属笼框结构紧束缚烯碳粉末复合导线，包括具有笼框状结构的金属，在金属的表面及内部孔设有烯碳材料；本发明借助笼框状结构的金属内部充填空间大，能填充较大体积的粉末，同时能起到压实和固定烯碳材料粉末的作用，本发明优化电子在烯碳材料界面的传输路径，烯碳材料中添加仅0.5wt％碳纳米管，电阻大幅降低，电导率提高了近一倍。
附图说明
18.图1是本实施例所提供的金属笼框结构紧束缚烯碳粉末复合导线金属泡沫示意图；
19.图2是本实施例所提供的金属笼框结构紧束缚烯碳粉末复合导线同轴金属示意图；
20.图3是本实施例中，电子在烯碳材料界面输运路径的优化机理示意图；
具体实施方式
21.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
22.相反，本技术涵盖任何由权利要求定义的在本技术的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本技术有更好的了解，在下文对本技术的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本技术。
23.以下将对本技术实施例所涉及的金属笼框结构紧束缚烯碳粉末复合导线方法进行详细说明。值得注意的是，以下实施例仅仅用于解释本技术，并不构成对本技术的限定。
24.如图1-2所示，金属笼框结构紧束缚烯碳粉末的复合导线，包括具有笼框状结构的金属，在金属的表面及内部孔设有烯碳材料。
25.在一些实施例中，所述具有笼框状结构的金属包括但不限于金属泡沫、同轴金属、金属网堆叠的金属框架结构。
26.在一些实施例中，所述金属的表面包括内表面和外表面。
27.在一些实施例中，所述烯碳材料组成为高导电碳材料，包括但不限于含有sp2杂化的有序结构的石墨烯、碳纳米管、卡拜碳等烯碳材料。
28.在一些实施例中，所述高导电碳材料可以是非碳元素掺杂处理烯碳材料；包括但不限于硼元素掺杂石墨烯、氮元素掺杂石墨烯、磷元素掺杂石墨烯、硫元素掺杂石墨烯、低含量氧元素掺杂石墨烯、氢化石墨烯、硼元素掺杂碳纳米管、氮元素掺杂碳纳米管、磷元素掺杂碳纳米管、硫元素掺杂碳纳米管、低含量氧元素掺杂碳纳米管、氢化碳纳米管。
29.本发明还提供了一种金属笼框结构紧束缚烯碳粉末复合导线的制备方法，包括上述的金属笼框结构紧束缚烯碳粉末的复合导线，包括以下步骤：
30.a.将笼框状金属剪裁成线状；
31.b.将烯碳材料按一定质量比例添加到水、乙醇或两者任意比例的混合液中，超声分散30分钟；
32.c.将烯碳材料的分散液进行抽滤并充分干燥；
33.d.在笼框状金属线的内孔及表面涂覆烯碳材料；
34.e.用0.5～20mpa的压力压合使其成为金属笼紧束缚烯碳复合导线。
35.对于上述的制备方法，有以下实施例：
36.实施例1——泡沫铜金属框架与石墨烯的新型复合导线
37.框架金属紧束烯碳粉末的新型导线的制备方法，所述导线材料由泡沫铜金属框架和石墨烯组成，包括如下步骤：
38.将泡沫铜金属框架剪成相同大小的五片，其总质量为2.55132g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用2.5mpa的压力压制一分钟，使之成型，样品长度为60.84mm，宽度15.34mm以及厚度2.196mm，其质量为2.97248g；静置1～2日，测出样品电阻为0.01432mω；并计算出此样品中石墨烯质量为0.42116g，石墨烯和金属的比值为0.1650753，电阻率为7.9289
×
10-9
ω
·
m。
39.实施例2——泡沫铁金属框架与石墨烯的新型复合导线
40.石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫铁和石墨烯组成，包括如下步骤：
41.将泡沫铁金属框架剪成相同大小的五片，其总质量为6.6764g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用2.5mpa的压力压制一分钟，使之成型，样品长度为60.41mm，宽度15.43mm以及厚度5.974mm，其质量为7.15953g；静置1～2日，测出样品电阻为0.00622mω；并计算出此样品中石墨烯质量为0.48313g，石墨烯和金属的比值为0.0723638，电阻率为9.491
×
10-9
ω
·
m。
42.实施例3——泡沫铜金属框架与烯碳粉体——0.5％cnt/石墨烯复合粉的新型复合导线
43.将泡沫铜金属框架剪成相同大小的五片，其总质量为2.17128g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹0.5％cnt/石墨烯复合粉，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用2.5mpa的压力压制一分钟，使之成型，样品长度为60.13mm，宽度13.39mm以及厚度1.414mm，其质量为2.39895g；静置1～2日，测出样品电阻为0.0906mω；并计算出此样品中cnt/石墨烯烯碳复合粉的质量为0.22767g，烯碳复合粉和金属的质量比为0.104855201，电阻率为2.9593
×
10-8
ω
·
m。
44.实施例4——泡沫铜金属框架与烯碳粉体——0.1％cnt/石墨烯复合粉的新型复合导线
45.将泡沫铜金属框架剪成相同大小的五片，其总质量为2.11378g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹0.1％cnt/石墨烯复合粉，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用2.5mpa的压力压制一分钟，使之成型，样品长度为60.85mm，宽度13.48mm以及厚度2.336mm，其质量为2.63462g；静置1～2日，测出样品电阻小于0.0001mω；并计算出此样品中cnt/石墨烯烯碳复合粉的质量为0.52084g，烯碳复合粉和金属的质量比为0.2464022，电阻率小于5.1749
×
10-11
ω
·
m。
46.实施例5——泡沫铜金属框架与烯碳粉体——1％cnt/石墨烯复合粉的新型复合导线
47.将泡沫铜金属框架剪成相同大小的五片，其总质量为2.11378g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹1％cnt/石墨烯复合粉，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用2.5mpa的压
力压制一分钟，使之成型，样品长度为60.85mm，宽度13.48mm以及厚度2.336mm，其质量为2.63462g；静置1～2日，测出样品电阻小于0.0001mω；并计算出此样品中cnt/石墨烯烯碳复合粉的质量为0.52084g，烯碳复合粉和金属的质量比为0.246402，电阻率小于5.1749
×
10-11
ω
·
m。
48.实施例6——泡沫铜金属框架与烯碳粉体——5％cnt/石墨烯复合粉的新型复合导线
49.将泡沫铜金属框架剪成相同大小的五片，其总质量为2.23794g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹5％cnt/石墨烯复合粉，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用2.5mpa的压力压制一分钟，使之成型，样品长度为61.16mm，宽度14.22mm以及厚度1.921mm，其质量为2.71829g；静置1～2日，测出样品电阻小于0.0001mω；并计算出此样品中cnt/石墨烯烯碳复合粉的质量为0.52084g，烯碳复合粉和金属的质量比为0.214639，电阻率小于5.1749
×
10-11
ω
·
m。
50.对比例1
51.本例与实施例1的不同之处在于：未涂抹烯碳复合粉末且压力为20mpa。
52.将泡沫铜金属框架剪成相同大小的五片，其总质量为1.64438g；直接将泡沫金属用压力机使用20mpa的压力压制五分钟，使之成型，样品长度为60.95mm，宽度16.49mm以及厚度0.474mm，其质量为1.6447g；静置1～2日，测出样品电阻为2.966mω；电阻率为3.8036
×
10-7
ω
·
m。
53.表1电阻仪测铜单丝电导率及其偏差
[0054][0055][0056]
表2实施例样品的纵向电导率
[0057][0058]
注：压力维持1分钟，泡沫铜规格：厚0.5
mm
，10～110ppi；泡沫铁：厚1
mm
，10～150ppi。
[0059]
从图3中可以看出，石墨颗粒组成的界面，成千上万层sp2杂化的碳原子层共享一个不平行于碳原子层平面的界面，界面处电子输运最佳方向的路径被断开；而石墨烯粉体，则是砌砖式界面，平行于碳原子层平面的电子输运最佳的方向路径，得以保持，每片石墨烯平面界面都连接并贡献到电子输运的最佳方向路径上；添加一维碳纳米管后，界面中，同一高度但相隔较远石墨烯片被碳纳米管连接，不同高度的石墨烯片也能被碳纳米管连接，电子输运的路径被进一步优化。
[0060]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。