一种多根石墨烯薄膜包覆金属线的绞合导线的制作方法

1.本实用新型属于高端导线领域，特别涉及一种基于石墨烯薄膜包覆金属线构成的导线。


背景技术：

2.导电线缆是当代社会必不可少的基本材料，大数据、信息化的快速发展对导电线缆提出了更高的要求，要求导电线缆重量轻、高导电性、高强度等，比如应用在高铁、新能源、航空、船舶等领域的电力设备与系统。金属银是所知的具有最高导电率的金属，其次是金属铜。因铜相对价格便宜，金属铜是当今广泛使用的金属导线之一，然而100多年的发展到目前已经难以进一步提高其导电率；即使使用单晶铜，其导电率也仅能达到国际退火铜标准的109％左右。但是，对于金属材料而已，高纯度会导致其强度降低。
3.石墨烯是由碳原子按sp2杂化组成的如蜂窝状的单原子层，其厚度仅约0.334nm。研究表明，石墨烯不但具有比金属铜更优异的导电性，而且具有极高的机械强度、优异的机械柔性、热与环境稳定性，具有高导热性、电磁屏蔽等特性，比如石墨烯的导电电流密度可达108a/cm2[appl.phys.lett.94,243114(2009)]。由石墨烯层堆积可成具有不同层数(或厚度)的石墨烯薄膜。常用的石墨烯薄膜的制备是采用化学气相沉积(cvd)方法在金属如镍、铜以及合金等表面获得[acs nano 5,1522(2011)；adv.mater.27,6404(2015)]。尽管石墨烯导电电流密度高，但石墨烯原子层的厚度，其能够承受的电流容量是有限的。


技术实现要素：

[0004]
针对本领域存在的不足之处，本实用新型提供了一种由多根石墨烯薄膜包覆金属线进行绞合而成的导线。与相同尺寸的金属线相比，石墨烯薄膜包覆金属线具有更高的导电性、长期稳定性、抗拉强度等优势，由此类多根的石墨烯薄膜包覆金属线绞合而成的导线也具有相应的优势，比如相对单根(束)的石墨烯薄膜包覆金属线，绞合而成的导线具有可承受更高的电流值等优势。这适合于高铁、新能源、航空、船舶等领域的电力设备与系统的高要求应用，满足高导电(高电流)、高抗拉强度、高稳定性、高速信息传输的应用场景需求。
[0005]
本实用新型采用如下的技术方案：
[0006]
一种多根石墨烯薄膜包覆金属线的绞合导线，所述的绞合导线是由数量多于一根(或称为股、束或者线束)的石墨烯薄膜包覆金属线绞合而成。
[0007]
优选的，所述的数量多于一根是指数量为2根-300000根。
[0008]
优选的，所述的绞合导线的中心轴线与被绞合的单根石墨烯薄膜包覆金属线之间的夹角(绞合角θ)在0度至50度之间，依据绞合角可以确定绞距p。
[0009]
优选的，所述的石墨烯薄膜由层数不多于6层的石墨烯构成。更优选的，所述的石墨烯薄膜由1层的石墨烯构成。
[0010]
优选的，所述的金属线中铜含量不低于30％，铜的含量由导线应用场景决定。
[0011]
优选的，所述的绞合导线中的石墨烯薄膜包覆金属线中，所述的金属线为不同形
状。更优选的，所述的不同形状选自圆形、椭圆形、扁形或不规则形状中的一种或多种，但不限于此；更优选的，所述的金属线的截面周围线上最大两点之间的距离在10.0nm
–
3.0cm之间。在绞合导线中的金属线的截面尺寸可有所不同，以便最大限度降低石墨烯薄膜包覆金属线之间的空隙，达到石墨烯薄膜包覆金属线相互紧密接触。
[0012]
一种多根石墨烯薄膜包覆金属线的绞合导线的制备包括：
[0013]
(1)石墨烯薄膜包覆金属线的制备；
[0014]
(2)将制备的石墨烯薄膜包覆金属线按照多根线紧密结合的原则进行绞合。
[0015]
所述的石墨烯薄膜包覆金属线的制备是指采用化学气相沉积法，使用气态碳源，于一定的环境下在金属线上制备石墨烯薄膜。制备之前，需要对金属线进行表面处理，以便能够在金属线表面制备出高质量的石墨烯薄膜。所述的气态碳源包括甲烷、乙炔、乙烯等，但不局限于此。所述的环境包括：依据使用不同的气态碳源而温度在350
–
1070℃范围内，还原性气氛如氢气，或者氧化性气氛如氧气，制备时化学气相沉积系统的真空度为常压或低于常压。
[0016]
所述的将多根的石墨烯薄膜包覆金属线进行绞合，可以参考现有的线缆(电缆)等的绞合工艺技术。优选地，绞合条件包括：一定的温度和挤压力以使石墨烯薄膜包覆金属线能够互相紧密接触，但尽量不破坏石墨烯薄膜；施加的温度和挤压力是能够使金属线适当变形，施加的温度和挤压力两者之间需综合考虑；另一方面，对于不同的金属而言主要参考其相应的软化温度和硬度，这类数据可以从相关的数据库而得到。最优选地，还包括绞合是在一定的真空度环境下进行，以尽量排除石墨烯薄膜包覆金属线与石墨烯薄膜包覆金属线之间的空气。
[0017]
本实用新型与现有技术相比，主要优点是利用石墨烯薄膜的高导电性、重量轻、机械强度高且柔性、抗氧化、抗酸碱、抗电磁干扰等特性，使得石墨烯薄膜包覆的金属线及其绞合而成的导线具有承受高电流、高拉张强度、高速信息传输的能力,这适合于高铁、新能源、航空、船舶等领域的电力设备与系统的高要求应用。
附图说明
[0018]
图1：本实用新型的多根石墨烯薄膜包覆金属线的绞合导线的制备示意图。
[0019]
其中：1-金属线(材)，2-石墨烯薄膜，3-石墨烯薄膜包覆的金属线，4-外套管，p-绞距，θ-绞合角。
[0020]
图2：本实用新型所制备石墨烯薄膜包覆金属线的表征，其中图2中的(a)为在#1金属线材上制备石墨烯薄膜后的样品(#1-g)的放大倍数较大的扫描电镜(sem)像；图2中的(b)为在#2金属线材上制备石墨烯薄膜后的样品(#2-g)的扫描电镜(sem)像；图2中的(c)为在#3金属线材上制备石墨烯薄膜后的样品(#3-g)的相机拍照的像；图2中的(d)为制备石墨烯薄膜后的样品，即#1-g、#2-g和#3-g的raman谱。
[0021]
表1：相对金属线，石墨烯薄膜包覆金属线的电导率变化。
具体实施方式
[0022]
本实用新型在金属线表面制备高质量石墨烯薄膜(石墨烯薄膜包覆金属线)、绞合多根石墨烯薄膜包覆金属线而制造高性能的导线。下面结合附图及具体实施例，进一步阐
述本实用新型的基本原理、功能。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，不限制各部件的具体位置。下列实施例中未注明具体部件，通常按照常规条件。
[0023]
图1为本实用新型的绞合导线制备示意图，包括在金属线表面采用化学气相沉积法制备石墨烯薄膜，然后按照一定的绞合角度使用外套管对石墨烯薄膜包覆的金属线进行绞合，使石墨烯薄膜包覆的金属线紧密接触而获得本实用新型的绞合导线。
[0024]
实施例1
[0025]
选取直径为310μm的铜丝(#1)，420μm的铜丝(#2)和15000μm的铜锡合金棒(#3)，在上述金属线材表面制备石墨烯薄膜。包括以下基本步骤：
[0026]
(1)将上述#1、#2和#3金属线材，在49％的h3po4溶液中经过电化学抛光处理。也还可以包括氧化处理等。
[0027]
(2)将电化学抛光处理的#1、#2和#3金属线材上载到石墨烯薄膜制备的cvd系统(本底真空度约1
×
10-6
pa)，并在惰性气体ar的气氛下对金属线材进行热处理25分钟。其中，热处理温度及时间可以依据所涉及的金属线而选择。
[0028]
(3)采用cvd方法，使用甲烷气态碳源(h2/ch4的流量比为10：1)在上述#1、#2和#3金属线材表面制备石墨烯薄膜，合成温度为1030℃，合成时间为15分钟。得到的样品分别称为#1-g、#2-g和#3-g。其中，合成温度及时间可以依据所涉及的气态碳源而选择，h2/ch4的流量比可以适当选择，同时也可以通入惰性气体或者氧气。
[0029]
对在#1、#2和#3金属线材上制备石墨烯薄膜进行检测，相关检测结果见图2中的(a)-(d)。其中图2中的(a)为在#1线材上制备石墨烯薄膜后(#1-g)的放大倍数较大的扫描电镜(sem)像，可以看出在#1金属线材的表面有石墨烯薄膜存在；图2中的(b)为在#2金属线材上制备石墨烯薄膜后(#2-g)的扫描电镜(sem)像，可以看出金属线材的形状；图2中的(c)为在#3金属线材上制备石墨烯薄膜后(#3-g)的相机拍照的像，可以看出金属线材的形状；图2中的(d)为制备石墨烯薄膜后的#1、#2和#3金属线材的raman谱，从这些raman谱可以进一步确定石墨烯薄膜已成功在#1、#2和#3金属线材上制备。
[0030]
对上述#1-g、#2-g和#3-g的样品进行电学测量其电导率，参见表1。
[0031]
在本实施例中，仅选取了直径为310μm的铜丝，420μm的铜丝和15000μm的铜锡合金棒，但本专利也适合于其它形状的不同尺寸的金属线材。金属线材的形状可为圆形、椭圆形、扁形或不规则形状中的一种或多种等，金属线材的截面周围线上最大两点之间的距离在10.0nm
–
3.0cm之间。
[0032]
石墨烯薄膜在金属线材上的制备工艺也不仅限于本实施例所陈述，可以参照已有石墨烯薄膜制备的工艺技术。
[0033]
实施例2
[0034]
将实施例1获得的石墨烯薄膜包覆的金属线材进行绞合(绞合角度为30度)，在本实施例中选择5根#1-g进行绞合，绞合后的导线称为#1-jg；选择5根#2-g进行绞合，绞合后的导线称为#2-jg；选择选择2根#1-g和3根#2-g进行绞合，绞合后的导线称为#1_#2-jg。绞合基本步骤包括将上述5根#1-g、5根#2-g或者2根#1-g和3根#2-g按照密接的方式装进一个管径可变的外套管中，然后施加一定的外力使该外套的管径缩小，从而使得5根#1-g、5根#2-g线材或者2根#1-g和3根#2-g最紧密接触。另外，在施加外力的同时，可以施加一定的温
度；或者在真空腔室中进行绞合。
[0035]
本实施例仅选择了5根石墨烯薄膜包覆的金属线材按照30度的角度进行绞合，但依据不同的实际应用场景，可以选择不同数量(根数2-300000根)的石墨烯薄膜包覆的金属线进行绞合，绞合角度可在0-50度范围内选择，这可以从承受的电流容量、抗拉强度等方面考虑。
[0036]
对比例1
[0037]
选取直径为310μm的铜丝(#1)，420μm的铜丝(#2)和15000μm的铜锡合金棒(#3)，对上述金属线材进行处理，处理过程不涉及使用甲烷，即没有在上述金属线材上制备石墨烯薄膜。包括以下基本步骤：
[0038]
(1)将上述#1、#2和#3金属线材，在49％的h3po4溶液中经过电化学抛光处理。
[0039]
(2)将电化学抛光处理的#1和#2金属线材上载到石墨烯薄膜制备的cvd系统(本底真空度约1
×
10-6
pa)，并在惰性气体ar的气氛下对该铜箔进行热处理25分钟。
[0040]
(3)采用cvd方法，使用氢气和氩气(h2/ar的流量比为10：1)对上述#1、#2和#3金属线材进行处理，处理温度为1030℃，处理时间为15分钟；这样得到的样品分别称为#1-ng、#2-ng和#3-ng。(注：在这步骤中，没有使用合成石墨烯薄膜的甲烷)
[0041]
对以上#1-g、#2-g和#3-g的石墨烯包覆金属线的样品，#1-jg、#2-jg和#1_#2-jg导线，#1-ng、#2-ng和#3-ng金属线样品进行电学测量，比较它们的电导率，数据如表1所示。从表1可以知道：与#1-ng、#2-ng和#3-ng相比，#1-g、#2-g和#3-g的电导率分别获得不同程度的提升。绞合后获得的导线也能够弥补单一根线材的不足。绞合后的#1-jg相对#1-ng的电导率提高了约8.54％；绞合后的#2-jg相对#2-ng的电导率提高了约28.01％；绞合后的#1_#2-jg相对#1-ng和#2-ng的平均电导率提高了约16.32％。
[0042]
表1：相对金属线，石墨烯薄膜包覆金属线的电导率变化
[0043][0044]
此外应理解，在阅读了本实用新型的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。