CN103123830A - 一种制备石墨烯电线电缆的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制备石墨烯电线电缆的方法，将具有优异二维导电特性的石墨烯功能材料喷镀或者生长于基体膜材料上，经过热压工艺处理，使无序排列的石墨烯纳米微片转换成高度有序排列的二维石墨烯膜，从而制备成具有优异二维导电特性的石墨烯膜材料。然后通过卷绕技术将二维石墨烯膜材料卷绕成具有优异一维导电特性的石墨烯电线。该类石墨烯电线电阻率低，导电密度大，导电特性优于铜和银等金属导体。同时，该类石墨烯电线重量轻，耐高温，并且化学稳定性好。通过将石墨烯电线进行组合封装，即可制备成大电流石墨烯电缆。

Description

一种制备石墨烯电线电缆的方法
【技术领域】
本发明是关于电线电缆领域，特别是关于采用石墨烯制备电线电缆的方法。
【背景技术】
电线电缆行业是国民经济建设中的重要配套产业之一，其产值达我国电工行业四分之一，年总产值已占到我国GDP的2%左右。随着我国城镇化进程的加快，电网建设迅速发展。110kV及以上高压超高压等级电力电缆的需求迅速增长。与此同时，电线电缆行业对新型的电线电缆具有更加迫切的需求，主要表现在更加轻质的电线电缆材料，超高的电流密度，超高的电子迁移速率，更低的电阻率，以及更好的化学稳定性和机械强度。
石墨烯是本世纪的核心功能材料。2010年，英国曼彻斯特大学安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫博士因在石墨烯方面的卓越研究而分享了诺贝尔物理学奖。基于近二十年来二维石墨烯，一维碳纳米管，和零维碳-60等新型碳基功能材料的开发和应用，科学界普遍认为：“20世纪是硅（Si）的世纪，21世纪将是碳（C）的世纪”。
石墨烯具有如下优良的机电性能：
电学性能：石墨烯的电子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，是目前发现的地球上电子运动速度最快的导电材料，其电子迁移率≥15000cm2/V·s。同时。石墨烯在二维平面上的电阻率为10-6Ω·cm，小于最佳的金属导体银（银的电阻率为1.58x10-6Ω·cm）。而其导电密度是铜的一百倍。
机械性能：石墨烯是最薄、最坚硬的物质。美国哥伦比亚大学James Hone等人最近发现，石墨烯的硬度比钻石还高，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。
化学性能：石墨烯具有稳定的sp2化学结构，耐腐蚀，耐高温，化学稳定性好。
高比表面积：比表面积≥2650m2/g。易于修饰及大规模生产等。
石墨烯的纯比重为2.2克/立方厘米，堆积密度小于0.1克/立方厘米。相比于铜的密度为8.92克/立方厘米，银的密度为10.53克/立方厘米，石墨烯是最为轻质的导电材料。
由于上述优异的物理特性，石墨烯已经开始应用于电线电缆领域。中国专利（申请号：201210066254.4，申请公布号：CN102592720A）提出了一种利用石墨烯粉体材料作为导电芯材的专利。然而，由于石墨烯的二维导电特性（即：在二维平面上石墨烯的电阻率为10-6Ω·cm，而在Z轴方向上的电阻率则迅速升高为10x10-1Ω·cm），致使混乱堆积的石墨烯粉体的电阻率聚降至6.6x10-3Ω·cm。这就大大地影响了石墨烯的导电特性，比之金属导线如铜和银相差太远。考虑到石墨烯粉体较差的导电特性，另一中国专利（授权公告号：CN202307250U）则提出一种以石墨烯取代电缆中的锡保护膜，而并非将石墨烯用于导电芯材。第三个中国专利（授权公告号：CN202694887U）则是利用石墨烯的超高机械强度，在电缆的护套外涂覆一层石墨烯，以防止老鼠咬坏电缆线，但该专利只是利用石墨烯作为电缆的护套，没有充分利用石墨烯的导电特性。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种制备具有优异一维导电特性的石墨烯电线芯线的方法。
本发明的另一目的在于提供一种制备石墨烯电线的方法。
本发明的再一目的在于提供一种制备石墨烯电缆的方法。
为达成前述目的，本发明一种石墨烯电线芯线的制备方法：其包括：
提供一种基体膜材料，其中基体膜材料包括绝缘膜材料或导电膜材料或绝缘膜和导电膜的复合材料；
在所述基体膜材料上形成石墨烯膜从而形成石墨烯复合膜；
对所述石墨烯复合膜进行热压处理，得到具有高度二维有序排列的石墨烯复合膜；
将经过热处理的石墨烯复合膜进行剪裁、卷曲制成石墨烯电线芯线；
根据本发明的一个实施例，其中在基体膜材料上形成石墨烯膜从而形成石墨烯复合膜的方法是采用石墨烯膜的生长工艺，即石墨烯膜通过物理化学气相沉积，分子化学气相沉积，高压气相生长，外延生长，有机分子膜热裂解，碳化硅（SiC）热裂解等方法中的一种或多种，实现在绝缘膜材料或者导电膜材料上的连续生长，在基体膜材料上形成的石墨烯膜的厚度在10纳米至500微米之间。
根据本发明的一个实施例，其中在在基体膜材料上形成石墨烯膜从而形成石墨烯复合膜的方法是采用石墨烯膜的镀膜工艺，即石墨烯膜通过喷镀，涂布，电镀，磁控溅射的方法，涂覆在绝缘膜材料或者导电膜材料上，在基体膜上形成的石墨烯膜的厚度在10纳米至500微米之间。
根据本发明的一个实施例，其中所述热压处理所使用的热压工艺包括热辊压工艺，热等静压工艺。
根据本发明的一个实施例，其中所述热压处理所设置的温度区间为80°C至600°C，所设置的压力区间为0.5兆帕（MPa）至100兆帕（MPa）。
根据本发明的一个实施例，其中所述热压处理所使用的热压工艺可以是单次的，也可以是多次重复的工艺。
为达成前述另一目的，本发明一种制备石墨烯电线的方法，其包括将采用前述方法制备的石墨烯电线芯线，再用绝缘材料进行包覆封装，制备成石墨烯电线。
为达成前述再一目的，本发明一种制造石墨烯电缆的方法，其包括将前述方法制成的石墨烯电线以单芯、双芯或三芯以上的组合，按照芯线、绝缘材料、填充物、橡胶绝缘层的顺序，封装成具备大电流输送能力的石墨烯电缆。
本发明充分利用石墨烯优异的二维导电特性，将石墨烯生成或者喷镀于基体膜材料（包括绝缘材料和金属导电材料），通过热压工艺将无序排列的石墨烯纳米微片转换成高度有序排列的具有优异二维导电特性的石墨烯复合膜。进一步地，将上述二维石墨烯复合膜卷绕形成一维的石墨烯电线。所生成的石墨烯电线利用石墨烯二维平面上的优异导电特性，实现向一维方向上的电流输送。其电阻率可低于最好的导电材料银，即石墨烯的电阻率≤银的电阻率1.58x10-6Ω·cm。同时，石墨烯电线的电子运动速度比铜和银电线的电子运动速度更快，导电密度更大，重量更轻，耐高温，并具有良好的化学稳定性。将石墨烯电线以单芯，双芯，三芯乃至更多芯组合封装后，就可以制备出大电流电缆，这就可以满足大电流的低电阻低损耗的远距离输电。
【附图说明】
图1是本发明制备石墨烯电线芯线方法的流程图。
图2是本发明制备石墨烯电线芯线的制备石墨烯复合膜步骤的示意图。
图3是本发明制备石墨烯电线芯线的对石墨烯复合膜进行热压处理步骤的示意图。
图4是本发明制备石墨烯电线芯线的对石墨烯复合膜进行剪裁卷曲步骤流程图。
图5是本发明制备石墨烯电线芯线的对石墨烯复合膜进行剪裁卷曲步骤的示意图。
图6是本发明制备的石墨烯电缆的结构示意图。
【具体实施方式】
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
如前所述，由于石墨烯材料的优良性能，现在已经有将石墨烯粉体材料作为导电芯材的技术，但由于石墨烯的二维导电特性（即：在二维平面上石墨烯的电阻率为10-6Ω·cm，而在Z轴方向上的电阻率则迅速升高为10x10-1Ω·cm），致使混乱堆积的石墨烯粉体的电阻率聚降至6.6x10-3Ω·cm。这就大大地影响了石墨烯的导电特性。本发明提供一种将石墨烯材料经过处理之后作为电线导电芯材的技术，制备出具有优异电阻率的石墨烯电线的方法。
请参阅图1所示，本发明的制备石墨烯电线芯线的方法，其具体工艺步骤包括：
步骤S1：提供一种基体膜材料，其中基体膜材料包括绝缘膜材料或导电膜材料或绝缘膜和导电膜的复合材料。
步骤S2：在所述基体膜材料上形成石墨烯膜从而形成石墨烯复合膜。
步骤S3：对石墨烯复合膜进行热压处理，得到具有高度二维有序排列的石墨烯复合膜；
步骤S4：将经过热处理的石墨烯复合膜进行剪裁、卷曲制成石墨烯电线芯线。
下面将结合图示对前述具体步骤进行详细说明。
请参阅图2所示，前述步骤S1中所提供的基体膜材料1，其中绝缘膜材料可以是例如聚乙烯，聚氯乙烯等，导电膜材料可以是例如铜，铝，银，金材料等。绝缘膜和导电膜的复合材料是将绝缘材料与金属材料相叠加的复合材料，其中，绝缘材料的厚度应大于或等于导电材料的厚度。基体膜材料的厚度可从10纳米至500微米乃至5毫米。
请继续参阅图2所示，前述步骤S2是在基体膜材料1上形成石墨烯膜2从而形成石墨烯复合膜10。
其中在基体膜材料1上形成石墨烯膜2的方法又可以包括两种，一种是石墨烯膜的生长工艺，即石墨烯膜可以通过物理化学气相沉积，分子化学气相沉积，高压气相生长，外延生长，有机分子膜热裂解，碳化硅（SiC）热裂解等方法，实现在绝缘基体膜材料或者导电膜材料上的连续生长。在基体膜上形成的石墨烯膜的厚度可在10纳米至500微米之间，从而形成石墨烯复合膜。
另外一种在基体膜上形成石墨烯膜的方法是石墨烯膜的镀膜工艺，即石墨烯膜可以通过喷镀，涂布，电镀，磁控溅射等方法，涂覆在绝缘膜材料或者导电膜材料上。在基体膜上形成的石墨烯膜的厚度可在10纳米至500微米之间，从而形成石墨烯复合膜。
如前所述，其中基体膜材料可以是绝缘膜材料或导电膜材料或绝缘膜和导电膜的复合材料，这样根据前述步骤S2制备出的石墨烯复合膜10即可以是绝缘膜/石墨烯膜或者金属导电膜/石墨烯膜再或者是绝缘膜/金属导电膜/石墨烯膜。其中绝缘膜/石墨烯膜具有更轻的质量，更好的卷绕特性以及抗腐蚀性。金属导电膜/石墨烯膜中的石墨烯排列更加有序，因此具有更好的导电特性，但质量更重，抗腐蚀性更差。绝缘膜/金属导电膜/石墨烯膜的导电特性介于上述两者之间，具有较好的抗腐蚀性，但工艺更加复杂，成本更高。所述三种复合膜，可以针对不同需求来定制。
根据前述步骤S2制备的石墨烯复合膜中石墨烯纳米微片具有一定程度的无序排列，导致石墨烯复合膜电阻率的升高。因此需要对制备的石墨烯复合膜进行处理。
请参阅图3所示，对前述步骤S1制备出的无序排列的石墨烯复合膜10进行步骤S3的热压处理，得到具有高度二维有序排列的石墨烯复合膜10，其中步骤S3中的热处理所使用的热压工艺包括热辊压工艺，热等静压工艺等等。热压工艺所设置的温度区间为80°C至600°C，所设置的压力区间为0.5兆帕（MPa）至100兆帕（MPa）。工艺参数的最终确定依据于基体膜材料的热承受能力而确定。所使用的热压工艺可以是单次的，也可以是多次重复的工艺。通过热压处理，可以大幅度降低石墨烯纳米微片的无序排列，最优化工艺可以实现95%至100%的石墨烯纳米微片的二维定向有序排列。而经过热压处理工艺，复合膜中的石墨烯膜具有高度的二维有序排列，具备了优异的二维导电特性，其电阻率可以低至1.0x10-6Ω·cm。
请参阅图4及图5所示,其中前述步骤S4将经过热处理的石墨烯复合膜10进行剪裁、卷曲制成石墨烯电线芯线的步骤具体包括：
步骤S41：剪裁工艺，首先将所制备的石墨烯复合膜10（即：绝缘膜/石墨烯膜或金属导电膜/石墨烯膜或绝缘膜/金属导电膜/石墨烯膜）按照电线半径的国家标准要求进行剪裁，以备后续卷绕工艺使用。即制备出的石墨烯复合膜可能是尺寸很大的一张膜，需要将该大尺寸的石墨烯复合膜剪裁成小尺寸的石墨烯复合膜，而剪裁的尺寸以后续能够将该石墨烯复合膜卷绕成国家标准的电线半径为宜。
步骤S42：卷绕工艺，如图5所示，将前述剪裁之后的二维有序排列的石墨烯复合膜10通过卷绕工艺制成半径符合国家标准所要求的石墨烯电线芯线。其中石墨烯复合膜卷绕的层数由国家对电线的标准以及石墨烯复合膜的厚度所决定。比如如果要卷绕成较细的电线，则卷绕的层数就比较少，如果是卷绕成比较粗的电线，则卷绕的层数就比较多。如果石墨烯复合膜的厚度比较厚，则卷绕成较细的电线时，卷绕的层数也比较少，如果石墨烯复合膜的厚度比较薄，则卷绕成较细的电线时，卷绕的层数又会不同，所以石墨烯复合膜卷绕的层数由国家对电线的标准以及石墨烯复合膜的厚度所决定。
所卷绕的石墨烯电线芯线实现了二维导电特性向一维导电特性的转换，最大限度地消除了由于石墨烯纳米微片的无序排列所造成的电阻率升高的现象，使得石墨烯电线可以达到最低的电阻率（即：1.0x10-6Ω·cm），导电密度优于铜和银等金属电线。同时，与铜和银电线相比，石墨烯电线的重量将降低1至10倍，耐高温，并具有良好的化学稳定性。
以上制备的是电线的芯线，在制备石墨烯电线时可以通过电线封装步骤S5进行封装：即将经过卷绕的石墨烯电线芯线，再用聚乙烯或聚氯乙烯等绝缘材料进行包覆封装，即制备成石墨烯电线。
如图6所示，如果需要制备大电流的石墨烯电缆时，可以将上述石墨烯电线以单芯，双芯，以至于三芯以上的组合，按照芯线10，绝缘材料20，填充物30，橡胶绝缘层40的国家标准要求，封装成具备大电流输送能力的石墨烯电线电缆。
本发明充分利用石墨烯优异的二维导电特性，将石墨烯生成或者喷镀于基体膜材料（包括绝缘材料和金属导电材料），通过热压工艺将无序排列的石墨烯纳米微片转换成高度有序排列的具有优异二维导电特性的石墨烯复合膜。进一步地，将上述二维石墨烯复合膜卷绕形成一维的石墨烯电线。所生成的石墨烯电线利用石墨烯二维平面上的优异导电特性，实现向一维方向上的电流输送。其电阻率可低于最好的导电材料银，即石墨烯的电阻率≤银的电阻率1.58x10-6Ω·cm。同时，石墨烯电线的电子运动速度比铜和银电线的电子运动速度更快，导电密度更大，重量更轻，耐高温，并具有良好的化学稳定性。将石墨烯电线以单芯，双芯，三芯乃至更多芯组合封装后，就可以制备出大电流电缆，这就可以满足大电流的低电阻低损耗的远距离输电。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (8)

1.一种石墨烯电线芯线的制备方法：其包括： 
提供一种基体膜材料，其中基体膜材料包括绝缘膜材料或导电膜材料或绝缘膜和导电膜的复合材料； 
在所述基体膜材料上形成石墨烯膜从而形成石墨烯复合膜； 
对所述石墨烯复合膜进行热压处理，得到具有高度二维有序排列的石墨烯复合膜； 
将经过热处理的石墨烯复合膜进行剪裁、卷曲制成石墨烯电线芯线。 
2.如权利要求1所述的方法，其中在基体膜材料上形成石墨烯膜从而形成石墨烯复合膜的方法是采用石墨烯膜的生长工艺，即石墨烯膜通过物理化学气相沉积，分子化学气相沉积，高压气相生长，外延生长，有机分子膜热裂解，碳化硅（SiC）热裂解等方法中的一种或多种，实现在绝缘膜材料或者导电膜材料上的连续生长，在基体膜材料上形成的石墨烯膜的厚度在10纳米至500微米之间。 
3.如权利要求1所述的方法，其中在在基体膜材料上形成石墨烯膜从而形成石墨烯复合膜的方法是采用石墨烯膜的镀膜工艺，即石墨烯膜通过喷镀，涂布，电镀，磁控溅射的方法，涂覆在绝缘膜材料或者导电膜材料上，在基体膜上形成的石墨烯膜的厚度在10纳米至500微米之间。 
4.如权利要求1所述的方法，其中所述热压处理所使用的热压工艺包括热辊压工艺，热等静压工艺。 
5.如权利要求4所述的方法，其中所述热压处理所设置的温度区间为80°C至600°C，所设置的压力区间为0.5兆帕（MPa）至100兆帕（MPa）。 
6.如权利要求4所述的方法，其中所述热压处理所使用的热压工艺可以是单次的，也可以是多次重复的工艺。 
7.一种制备石墨烯电线的方法，其包括将采用前述权利要求1-6的方法制备的石墨烯电线芯线，再用绝缘材料进行包覆封装，制备成石墨烯电线。 
8.一种制造石墨烯电缆的方法，其特征在于：将前述权利要求7所述的方法制成的石墨烯电线以单芯、双芯或三芯以上的组合，按照芯线、绝缘材料、填充物、橡胶绝缘层的顺序，封装成具备大电流输送能力的石墨烯电缆。 
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