CN105244071B - 线缆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种线缆，包括至少一个缆芯、包覆在缆芯外的至少一个绝缘结构、包覆在绝缘结构外的至少一个屏蔽结构和包覆在屏蔽结构外的一个保护结构，该缆芯包括导电材料及多个碳纳米管，其中，该缆芯中的碳纳米管沿缆芯轴向有序排列，该导电材料包覆于碳纳米管表面。

Description

线缆
本申请为2009年1月16日申请的申请号为200910002459.4，名称为“线缆”的中国发明专利申请之分案申请。申请号为200910002459.4的专利申请主张2008年2月1日申请的申请号为200810066046.8，名称为“线缆”的中国发明专利申请的本国优先权。
技术领域
本发明涉及一种线缆，尤其涉及一种基于碳纳米管的线缆。
背景技术
线缆是电子产业里较为常用的信号传输线材，微米级尺寸的线缆更广泛应用在IT产品、医学仪器、空间设备中。传统的线缆内部设置有两个导体，内导体用以传输电信号，外导体用以屏蔽传输的电信号并且将其封闭在内部，从而使线缆具有高频损耗低、屏蔽及抗干扰能力强、使用频带宽等特性，请参见文献“Electromagnetic Shielding of High-Voltage Cables”(M.De Wulf, P. Wouters et.al., Journal of Magnetism andMagnetic Materials, 316, e908-e901 (2007))。
一般情况下，线缆从内至外的结构依次为形成内导体的缆芯、包覆在缆芯外表面的绝缘结构、形成外导体的屏蔽结构和保护结构。其中，缆芯用来传输电信号，材料以铜、铝或铜锌合金为主。屏蔽结构通常由多股金属线编织或用金属膜卷覆在绝缘结构外形成，用以屏蔽电磁干扰或无用外部信号干扰。对于以金属材料形成的缆芯，最大问题在于交变电流在金属导体中传输时会产生趋肤效应(Skin Effect)。趋肤效应使金属导体中通过电流时的有效截面积减小，从而使导体的有效电阻变大，导致线缆的传输效率降低或传输信号丢失。另外，以金属材料作为缆芯及屏蔽结构的线缆，其强度较小，质量及直径较大，无法满足某些特定条件，如航天领域、空间设备及超细微线缆的应用。
碳纳米管是一种新型一维纳米材料，其具有优异的导电性能、高的抗张强度和高热稳定性，在材料科学、化学、物理学等交叉学科领域已展现出广阔的应用前景。目前，已有将碳纳米管与金属混合形成复合材料，从而用来制造线缆的缆芯。然而，碳纳米管在金属中为无序分散，仍无法解决上述金属缆芯中的趋肤效应问题。
有鉴于此，确有必要提供一种线缆，该线缆具有良好的导电性能、较强的机械性能、较轻的质量及较小的直径，并且易于制造，适于低成本大量生产。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种线缆，该线缆具有良好的导电性能、较强的机械性能、较轻的质量及较小的直径，并且易于制造，适于低成本大量生产。
一种线缆，包括至少一个缆芯、包覆在缆芯外的至少一个绝缘结构、包覆在绝缘结构外的至少一个屏蔽结构和包覆在屏蔽结构外的一个保护结构，该缆芯包括导电材料及多个碳纳米管，其中，该缆芯中的碳纳米管沿缆芯轴向有序排列，该导电材料包覆于碳纳米管表面。
一种线缆，包括至少一个缆芯、包覆在缆芯外的至少一个绝缘结构、包覆在绝缘结构外的至少一个屏蔽结构和包覆在屏蔽结构外的一个保护结构，其中，该缆芯包括至少一碳纳米管线状结构，该碳纳米管线状结构包括多个通过范德华力首尾相连的碳纳米管及一导电材料包覆于所述碳纳米管表面。
与现有技术比较，本发明采用含有有序排列的碳纳米管的缆芯的线缆具有以下优点：其一，由于碳纳米管在缆芯中沿缆芯轴向有序排列，因此，该含有碳纳米管的缆芯具有较好的导电性能。其二，由于碳纳米管具有优异的力学性能，及较轻的质量，因此，该含有碳纳米管的线缆具有比采用纯金属缆芯的线缆更高的机械强度及更轻的质量，适合特殊领域，如航天领域及空间设备的应用。其三，采用导电材料及碳纳米管共同形成的缆芯比采用纯碳纳米管线状结构形成的缆芯具有更好的导电性。
附图说明
图1是本发明第一实施例的线缆的截面结构示意图。
图2是本发明第一实施例的线缆中单根碳纳米管的结构示意图。
图3是本发明第一实施例线缆的制造方法的流程图。
图4是本发明第一实施例线缆的制造装置的结构示意图。
图5是本发明第一实施例的碳纳米管膜扫描电镜照片。
图6是本发明第一实施例沉积导电材料后的碳纳米管膜的扫描电镜照片。
图7是本发明第一实施例沉积导电材料后的碳纳米管膜中的碳纳米管的透射电镜照片。
图8是本发明第一实施例的绞线结构的扫描电镜照片。
图9是图8中的绞线结构中沉积有导电材料的碳纳米管的扫描电镜照片。
图10是本发明第二实施例线缆的截面结构示意图。
图11是本发明第三实施例线缆的截面结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明实施例线缆的结构及其制备方法。
本发明实施例提供一种线缆，该线缆包括至少一缆芯、包覆在缆芯外的至少一绝缘结构、至少一屏蔽结构和一保护结构。
请参阅图1，本发明第一实施例的线缆10为同轴线缆，该同轴线缆包括一个缆芯110、包覆在缆芯110外的绝缘结构120、包覆在绝缘结构120外的屏蔽结构130和包覆在屏蔽结构130外的保护结构140。其中，上述缆芯110、绝缘结构120、屏蔽结构130和保护结构140为同轴设置。
该缆芯110包括至少一碳纳米管线状结构。该线状结构为长径比较大的结构。具体地，该缆芯110可由一个单独的碳纳米管线状结构构成，也可由多个碳纳米管线状结构相互并排，相互扭转或相互缠绕形成。本实施例中，该缆芯110为一碳纳米管线状结构。该缆芯110的直径可以为4.5纳米~1毫米，优选地，该缆芯的直径为10~30微米。可以理解，当将多个碳纳米管线状结构并排设置、扭转设置或缠绕设置时，该缆芯的直径不限，可达20~30毫米。
该碳纳米管线状结构由碳纳米管和导电材料构成。具体地，该碳纳米管线状结构包括多个碳纳米管，并且，每个碳纳米管表面均包覆至少一导电材料层。其中，每个碳纳米管具有大致相等的长度，并且，多个碳纳米管通过范德华力首尾相连形成一碳纳米管线状结构。在该碳纳米管线状结构中，碳纳米管沿碳纳米管线状结构的轴向择优取向排列。进一步地，该碳纳米管线状结构可经过一扭转过程，形成一绞线结构。在上述绞线结构中，碳纳米管绕绞线结构的轴向螺旋状旋转排列。该碳纳米管线状结构的直径可以为4.5纳米~1毫米，优选地，该碳纳米管线状结构的直径为10~30微米。
请参见图2，该碳纳米管线状结构中每一根碳纳米管111表面均包覆至少一层导电材料。具体地，该至少一层导电材料包括与碳纳米管111表面直接结合的润湿层112、设置在润湿层外的过渡层113、设置在过渡层113外的导电层114以及设置在导电层114外的抗氧化层115。
由于碳纳米管111与大多数金属之间的润湿性不好，因此，上述润湿层112的作用为使导电层114与碳纳米管111更好的结合。形成该润湿层112的材料可以为铁、钴、镍、钯或钛等与碳纳米管111润湿性好的金属或它们的合金，该润湿层112的厚度为1~10纳米。本实施例中，该润湿层112的材料为镍，厚度约为2纳米。可以理解，该润湿层为可选择结构。
上述过渡层113的作用为使润湿层112与导电层114更好的结合。形成该过渡层113的材料可以为与润湿层112材料及导电层114材料均能较好结合的材料，该过渡层113的厚度为1~10纳米。本实施例中，该过渡层113的材料为铜，厚度为2纳米。可以理解，该过渡层113为可选择结构。
上述导电层114的作用为使碳纳米管线状结构具有较好的导电性能。形成该导电层114的材料可以为铜、银或金等导电性好的金属或它们的合金，该导电层114的厚度为1~20纳米。本实施例中，该导电层114的材料为银，厚度约为10纳米。
上述抗氧化层115的作用为防止在线缆10的制造过程中导电层114在空气中被氧化，从而使缆芯110的导电性能下降。形成该抗氧化层115的材料可以为金或铂等在空气中不易氧化的稳定金属或它们的合金，该抗氧化层115的厚度为1~10纳米。本实施例中，该抗氧化层115的材料为铂，厚度为2纳米。可以理解，该抗氧化层115为可选择结构。
经实验测试可知，包覆导电材料的碳纳米管线状结构的电阻率比纯碳纳米管线的电阻率有所降低。该碳纳米管线状结构的电阻率可降低到10×10-8Ω·m~500×10-8Ω·m。而纯碳纳米管线的电阻率则为1×10-5Ω·m ~2×10-5Ω·m。本实施例中，纯碳纳米管线电阻率为1.91×10-5Ω·m，碳纳米管线状结构的电阻率为360×10-8Ω·m。
进一步地，为提高线缆10的强度，可在该抗氧化层115外进一步设置一强化层116。形成该强化层116的材料可以为聚乙烯醇（PVA）、聚苯撑苯并二噁唑（PBO）、聚乙烯（PE）或聚氯乙烯（PVC）等强度较高的聚合物，该强化层116的厚度为0.1~1微米。本实施例中，该强化层116的材料为聚乙烯醇（PVA），厚度为0.5微米。可以理解，该强化层116均为可选择结构。
绝缘结构120用于电气绝缘，可以选用聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、泡沫聚乙烯组合物或纳米粘土－高分子复合材料。纳米粘土－高分子复合材料中纳米粘土是纳米级层状结构的硅酸盐矿物，是由多种水合硅酸盐和一定量的氧化铝、碱金属氧化物及碱土金属氧化物组成，具耐火阻燃等优良特性，如纳米高岭土或纳米蒙脱土。高分子材料可以选用硅树脂、聚酰胺、聚烯烃如聚乙烯或聚丙烯等，但并不以此为限。本实施例优选泡沫聚乙烯组合物。
所述屏蔽结构130由一导电材料形成，用以屏蔽电磁干扰或无用外部信号干扰。具体地，所述屏蔽结构130可由多股金属线编织或用金属膜卷覆在绝缘结构120外形成，也可由多个碳纳米管线、单层有序碳纳米管膜、多层有序碳纳米管膜或无序碳纳米管膜缠绕或卷覆在绝缘结构120外形成，或可由含有碳纳米管的复合材料直接包覆在绝缘结构120表面。
其中，该金属膜或金属线的材料可以选择为铜、金或银等导电性好的金属或它们的合金。该碳纳米管线、单层有序碳纳米管膜或多层有序碳纳米管膜包括多个碳纳米管片段，每个碳纳米管片段具有大致相等的长度且每个碳纳米管片段由多个相互平行的碳纳米管构成，碳纳米管片段两端通过范德华力相互连接。所述碳纳米管线可通过对碳纳米管膜进行处理获得。所述碳纳米管线可包括多个绕碳纳米管线轴向螺旋排列的碳纳米管或包括多个沿碳纳米管线长度方向排列并首尾相连的碳纳米管。
该复合材料可以为金属与碳纳米管的复合或聚合物与碳纳米管的复合。该聚合物材料可以选择为聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate, PET）、聚碳酸酯（Polycarbonate, PC）、丙烯腈—丁二烯丙烯—苯乙烯共聚物（Acrylonitrile-ButadieneStyrene Terpolymer, ABS）、聚碳酸酯/丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物（PC/ABS）等高分子材料。将碳纳米管均匀分散于上述聚合物材料的溶液中，并将该混合溶液均匀涂覆于绝缘结构120表面，待冷却后形成一含碳纳米管的聚合物层。可以理解，该屏蔽结构130还可由碳纳米管复合膜或碳纳米管复合线状结构包裹或缠绕在绝缘结构120外形成。具体地，所述碳纳米管复合膜或碳纳米管复合线状结构中的碳纳米管有序排列，并且，该碳纳米管表面包覆至少一层导电材料。进一步地，该屏蔽结构130还可由上述多种材料在绝缘结构120外组合构成。
保护结构140由绝缘材料制成，可以选用纳米粘土－高分子材料的复合材料，其中纳米粘土可以为纳米高岭土或纳米蒙脱土，高分子材料可以为硅树脂、聚酰胺、聚烯烃如聚乙烯或聚丙烯等，但并不以此为限。本实施例优选纳米蒙脱土－聚乙烯复合材料，其具有良好的机械性能、耐火阻燃性能、低烟无卤性能，不仅可以为线缆10提供保护，有效抵御机械、物理或化学等外来损伤，同时还能满足环境保护的要求。
请参阅图3及图4，本发明实施例中线缆10的制备方法主要包括以下步骤：
步骤一：提供一碳纳米管阵列216，优选地，该阵列为超顺排碳纳米管阵列。
本发明实施例提供的碳纳米管阵列216为单壁碳纳米管阵列，双壁碳纳米管阵列，及多壁碳纳米管阵列中的一种或多种。本实施例中，该超顺排碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括：（a）提供一平整基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施例优选为采用4英寸的硅基底；（b）在基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）或其任意组合的合金之一；（c）将上述形成有催化剂层的基底在700~900°C的空气中退火约30分钟~90分钟；（d）将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500~740°C，然后通入碳源气体反应约5~30分钟，生长得到超顺排碳纳米管阵列，其高度为200~400微米。该超顺排碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该超顺排碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。该超顺排碳纳米管阵列与上述基底面积基本相同。
本实施例中碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等化学性质较活泼的碳氢化合物，本实施例优选的碳源气为乙炔；保护气体为氮气或惰性气体，本实施例优选的保护气体为氩气。
步骤二：采用一拉伸工具从所述碳纳米管阵列216中拉取获得一碳纳米管结构214。
所述碳纳米管结构214优选为一具有一定宽度的碳纳米管膜，该碳纳米管膜的制备方法包括以下步骤：（a）从上述碳纳米管阵列216中选定一个或具有一定宽度的多个碳纳米管，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带、镊子或夹子接触碳纳米管阵列216以选定一个或具有一定宽度的多个碳纳米管；（b）以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列216生长方向拉伸该多个碳纳米管，从而形成首尾相连的多个碳纳米管片段，进而形成一连续的碳纳米管膜。
在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管片段分别与其它碳纳米管片段首尾相连地连续地被拉出，从而形成一连续、均匀且具有一定宽度的碳纳米管膜。请参阅图5，该碳纳米管膜包括多个择优取向排列的碳纳米管。进一步地，该碳纳米管膜包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管片段，该碳纳米管片段两端通过范德华力相互连接。该碳纳米管片段包括多个相互平行的碳纳米管。该碳纳米管膜中碳纳米管的排列方向基本平行于碳纳米管膜的拉伸方向。所述碳纳米管膜的长度及宽度与该碳纳米管阵列216的尺寸及步骤（a）中选定的多个碳纳米管的宽度有关，所述碳纳米管膜的宽度最大不超过该碳纳米管阵列216的直径，所述碳纳米管膜的长度可达100米以上。
所述碳纳米管膜包括多个碳纳米管，相邻的碳纳米管之间有间隙，且该碳纳米管平行于所述碳纳米管膜的表面。所述碳纳米管膜可具有自支撑结构。所谓自支撑结构即碳纳米管膜中的多个碳纳米管间通过范德华力相互吸引，从而使碳纳米管膜具有特定的形状。
该直接拉伸获得的择优取向排列的碳纳米管膜比无序的碳纳米管膜具有更好的均匀性。同时该直接拉伸获得碳纳米管膜的方法简单快速，适宜进行工业化应用。
步骤三：形成至少一层导电材料附着于所述碳纳米管结构214表面，形成一碳纳米管线状结构222。
所述形成至少一层导电材料附着于所述碳纳米管结构214表面的方法可采用物理方法，如物理气相沉积法（PVD）包括真空蒸镀或离子溅射等，也可采用其他成膜方法，如化学方法，包括电镀或化学镀等。优选地，本实施例采用物理方法中的真空蒸镀法形成所述导电材料附着于所述碳纳米管结构214表面。
所述采用真空蒸镀法形成至少一层导电材料的方法包括以下步骤：首先，提供一真空容器210，该真空容器210具有一沉积区间，该沉积区间底部和顶部分别放置至少一个蒸发源212，该至少一个蒸发源212按形成至少一层导电材料的先后顺序依次沿碳纳米管结构的拉伸方向设置，且每个蒸发源212均可通过一个加热装置（图未示）加热。上述碳纳米管结构214设置于上下蒸发源212中间并间隔一定距离，其中碳纳米管结构214正对上下蒸发源212设置。该真空容器210可通过外接一真空泵（图未示）抽气达到预定的真空度。所述蒸发源212材料为待沉积的导电材料。其次，通过加热所述蒸发源212，使其熔融后蒸发或升华形成导电材料蒸汽，该导电材料蒸汽遇到冷的碳纳米管结构214后，在碳纳米管结构214上下表面凝聚，形成至少一层导电材料附着于碳纳米管结构214的表面。由于碳纳米管结构214中的碳纳米管111之间存在间隙，并且碳纳米管结构214厚度较薄，导电材料可以渗透进入碳纳米管结构214之中，从而沉积在每根碳纳米管111表面。沉积至少一层导电材料后的碳纳米管膜的微观结构照片请参阅图6和图7。
可以理解，通过调节碳纳米管结构214和每个蒸发源212的距离以及蒸发源212之间的距离，可使每个蒸发源212具有一个沉积区。当需要沉积多层导电材料时，可将多个蒸发源212同时加热，使碳纳米管结构214连续通过多个蒸发源的沉积区，从而实现沉积多层导电材料。
为提高导电材料蒸汽密度并且防止导电材料被氧化，真空容器210内真空度应达到1帕（Pa）以上。本发明实施例中，真空容器中的真空度为4×10-4Pa。
可以理解，也可将步骤一中的碳纳米管阵列216直接放入上述真空容器210中。首先，在真空容器210中采用一拉伸工具从所述碳纳米管阵列中拉取获得一碳纳米管结构214。然后，加热上述至少一个蒸发源212，沉积至少一层导电材料于所述碳纳米管结构214表面。以一定速度不断地从所述碳纳米管阵列216中拉取碳纳米管结构214，且使所述碳纳米管结构214连续地通过上述蒸发源212的沉积区，进而形成所述导电材料附着于所述碳纳米管结构214表面。故该真空容器210可实现碳纳米管表面具有至少一层导电材料的碳纳米管结构214的连续生产。
本发明实施例中，所述采用真空蒸镀法形成至少一层导电材料的方法具体包括以下步骤：形成一层润湿层112于所述碳纳米管结构214的每一碳纳米管表面；形成一层过渡层113于所述润湿层112的外表面；形成一层导电层114于所述过渡层113的外表面；形成一层抗氧化层115于所述导电层114的外表面。其中，上述形成润湿层112、过渡层113及抗氧化层115的步骤均为可选择的步骤。具体地，可将上述碳纳米管结构214连续地通过上述各层材料所形成的蒸发源212的沉积区。
另外，在所述形成至少一层导电材料于所述碳纳米管结构214表面之后，可进一步包括在所述碳纳米管结构214表面形成强化层116的步骤。所述形成强化层116的步骤具体包括以下步骤: 将形成有至少一层导电材料的碳纳米管结构214通过一装有聚合物溶液的装置220，使聚合物溶液浸润整个碳纳米管结构214，该聚合物溶液通过分子间作用力粘附于所述至少一层导电材料的外表面；以及凝固聚合物，形成一强化层116。
当所述碳纳米管结构214宽度较小时（如0.5纳米~100微米），所述形成有至少一层导电材料的碳纳米管结构214即可作为一碳纳米管线状结构222，可不需要做后续处理。
当所述碳纳米管结构214宽度较大时，所述形成碳纳米管线状结构222的步骤可进一步包括对所述碳纳米管结构214进行机械处理的步骤。该机械处理步骤可通过以下两种方式实现：对所述形成有至少一层导电材料的碳纳米管结构214进行扭转，形成碳纳米管线状结构222或切割所述形成有至少一层导电材料的碳纳米管结构214，形成碳纳米管线状结构222。
对所述碳纳米管结构214进行扭转，形成碳纳米管线状结构222的步骤可通过多种方式实现。本实施例可采用下述两种方式形成所述碳纳米管线状结构222：其一，通过将粘附于上述碳纳米管结构214一端的拉伸工具固定于一旋转电机上，扭转该碳纳米管结构214，从而形成一碳纳米管线状结构222。其二，提供一个尾部可以粘住碳纳米管结构214的纺纱轴，将该纺纱轴的尾部与碳纳米管结构214结合后，将该纺纱轴以旋转的方式扭转该碳纳米管结构214，形成一碳纳米管线状结构222。可以理解，上述纺纱轴的旋转方式不限，可以正转，可以反转，或者正转和反转相结合。优选地，所述扭转该碳纳米管结构的步骤为将所述碳纳米管结构214沿碳纳米管结构214的拉伸方向以螺旋方式扭转。扭转后所形成的碳纳米管线状结构222为一绞线结构，其扫描电镜照片请参见图8及图9。
所述切割碳纳米管结构214，形成碳纳米管线状结构222的步骤为：沿碳纳米管结构214的拉伸方向切割所述形成有至少一层导电材料的碳纳米管结构214，形成多个碳纳米管线状结构222。上述多个碳纳米管线状结构222可进一步进行重叠、扭转，以形成一较大直径的碳纳米管线状结构222。
可以理解，当所述碳纳米管结构214的宽度较小时，所述碳纳米管结构214也可进一步进行扭转，形成所述碳纳米管线状结构22。
进一步地，多个碳纳米管线状结构222可平行设置组成一束状结构的碳纳米管线状结构222或相互扭转形成一绞线结构的碳纳米管线状结构222。该束状结构或绞线结构的碳纳米管线状结构222相比单个碳纳米管线状结构222具有较大的直径。另外，也可将沉积有至少一层导电材料的多个碳纳米管结构214重叠设置并扭转形成一碳纳米管线状结构222。所制备的碳纳米管线状结构222的直径不受拉取获得的碳纳米管结构214的尺寸的限制，并可根据需要制备具有任意大小的直径的碳纳米管线状结构222。本实施例中，大约500层沉积有导电材料的碳纳米管结构214重叠设置并扭转形成一碳纳米管线状结构222，该碳纳米管线状结构222的直径可达到3-5毫米。
可以理解，本发明并不限于上述方法获得碳纳米管线状结构222，只要能使所述碳纳米管结构214形成碳纳米管线状结构222的方法都在本发明的保护范围之内。
所制得的碳纳米管线状结构222可进一步收集在一第一卷筒224上。收集方式为将碳纳米管线状结构222缠绕在所述第一卷筒224上。所述碳纳米管线状结构222用作缆线的缆芯110。
可选择地，上述碳纳米管结构214的形成步骤、形成至少一层导电层的步骤、强化层的形成步骤、碳纳米管结构214的扭转步骤及碳纳米管线状结构222的收集步骤均可在上述真空容器中进行，进而实现碳纳米管线状结构222的连续生产。
步骤四：在所述碳纳米管线状结构222表面包覆一绝缘材料。
所述绝缘材料可通过一第一挤压装置230包覆在所述碳纳米管线状结构222的外表面，该挤压装置将聚合物熔体组合物涂覆在所述碳纳米管线状结构222的表面。本发明实施例中，所述聚合物熔体组合物优选为泡沫聚乙烯组合物。一旦碳纳米管线状结构222离开所述第一挤压装置230，聚合物熔体组合物就会发生膨胀，以形成所述绝缘结构120。当所述绝缘结构120为两层或两层以上时，可重复上述步骤。
步骤五：形成屏蔽材料包覆所述绝缘材料。
提供一屏蔽材料232，该屏蔽材料232可为一带状结构，其可由一第二卷筒234提供。将该屏蔽材料232围绕所述绝缘材料卷覆，以便形成屏蔽材料，进而形成所述屏蔽结构130。该屏蔽材料232可选用一金属膜、碳纳米管膜或碳纳米管复合膜等膜状结构或碳纳米管线、碳纳米管复合线状结构或金属线等线状结构。另外，所述屏蔽材料232也可由上述多种材料形成的编织层共同组成，并通过粘结剂粘结或直接缠绕在所述绝缘材料外表面。
本发明实施例中，所述屏蔽材料232由多个碳纳米管线组成，该碳纳米管线直接或编织成网状缠绕在所述绝缘材料外。每个碳纳米管线包括一扭转的碳纳米管线或非扭转的碳纳米管线。所述非扭转的碳纳米管线可为将从碳纳米管阵列中直接拉取获得的碳纳米管膜通过有机溶剂处理得到，该非扭转的碳纳米管线包括多个沿碳纳米管线长度方向排列并首尾相连的碳纳米管。所述扭转的碳纳米管线可为采用一机械力将所述碳纳米管膜两端沿相反方向扭转获得。该扭转的碳纳米管线包括多个绕碳纳米管线轴向螺旋排列的碳纳米管。
优选地，所述带状结构的屏蔽材料232沿纵向边缘进行重叠，以便完全屏蔽碳纳米管线状结构222，进而形成所述屏蔽结构130。所述碳纳米管线、碳纳米管复合线状结构或金属线等线状结构的屏蔽材料232可直接或编织成网状缠绕在绝缘材料的外表面。具体地，所述多根碳纳米管线或金属线可通过多个绕线架236沿不同的螺旋方向卷绕在绝缘材料的外表面。可以理解，当所述屏蔽结构130为两层或两层以上结构时，可重复上述步骤。该采用碳纳米管线形成的屏蔽结构130质量较轻。
步骤六：形成保护材料包覆所述屏蔽材料。
所述保护材料可通过一第二挤压装置240施用到所述屏蔽材料外表面。所述聚合物熔体围绕在所述屏蔽材料的外表面被挤压，冷却后形成所述保护材料，进而形成保护结构140。
进一步地，可将所制造的的线缆收集在一第三卷筒260上，以便于储存和装运。
请参阅图9，本发明第二实施例提供一种线缆30包括多个缆芯310（图9中共显示七个缆芯）、每一缆芯310外覆盖一个绝缘结构320、包覆在多个缆芯310外的一个屏蔽结构330和一个包覆在屏蔽结构330外表面的保护结构340。屏蔽结构330和绝缘结构320的间隙内可填充绝缘材料。其中，每个缆芯310及绝缘结构320、屏蔽结构330和保护结构340的结构、材料及制备方法与第一实施例中的缆芯110、绝缘结构120、屏蔽结构130和保护结构140的结构、材料及制备方法基本相同。
请参阅图10，本发明第三实施例提供一种线缆40包括多个缆芯410（图10中共显示五个缆芯）、每一缆芯410外覆盖一个绝缘结构420和一个屏蔽结构430、以及包覆在多个缆芯410外表面的保护结构440。屏蔽结构430的作用在于对各个缆芯410进行单独的屏蔽，这样不仅可以防止外来因素对缆芯410内部传输的电信号造成干扰而且可以防止各缆芯410内传输的不同电信号间相互发生干扰。其中，每个缆芯410、绝缘结构420、屏蔽结构430和保护结构440的结构、材料及制备方法与第一实施例中的缆芯110、绝缘结构120、屏蔽结构130和保护结构140的结构、材料及制备方法基本相同。
本发明实施例提供的采用碳纳米管线状结构作为缆芯的线缆及其制备方法具有以下优点：其一，碳纳米管线状结构中包含多个通过范德华力首尾相连的碳纳米管束片段，且每根碳纳米管表面均形成有导电材料层，其中，碳纳米管束片段起导电及支撑作用，在碳纳米管上沉积金属导电层后，形成的碳纳米管线状结构比采用现有技术中的金属拉丝方法得到的金属导电丝更细，适合制作超细微线缆。其二，由于碳纳米管为中空的管状结构，且形成于碳纳米管外表面的金属导电层厚度只有几个纳米，因此，电流在通过金属导电层时基本不会产生趋肤效应，从而避免了信号在线缆中传输过程中的衰减。其三，由于碳纳米管具有优异的力学性能，且具有中空的管状结构，因此，该含有碳纳米管的线缆具有比采用纯金属缆芯的线缆更高的机械强度及更轻的质量，适合特殊领域，如航天领域及空间设备的应用。其四，采用金属包覆的碳纳米管形成的碳纳米管线状结构作为缆芯比采用纯碳纳米管绳作为缆芯具有更好的导电性。其五，由于碳纳米管线状结构是通过对碳纳米管膜进行旋转或直接从碳纳米管阵列中拉取而制造，该方法简单、成本较低。其六，所述从碳纳米管阵列中拉取获得碳纳米管结构的步骤及形成至少一层导电材料层的步骤均可在一真空容器中进行，有利于缆芯的规模化生产，从而有利于缆线的规模化生产。其七，由于该缆芯可由多个碳纳米管结构共同构成，该缆芯的直径不限，故该线缆可用于电力传输领域，且由于碳纳米管质量较轻，则该电力线缆质量较轻。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种线缆，包括至少一个缆芯、包覆在缆芯外的至少一个绝缘结构、包覆在绝缘结构外的至少一个屏蔽结构和包覆在屏蔽结构外的一个保护结构，其特征在于，该缆芯包括碳纳米管绞线结构及导电材料层，该碳纳米管绞线结构包括多个碳纳米管绕该碳纳米管绞线结构的轴向螺旋状旋转排列并通过范德华力首尾相连，该导电材料层包覆于单根碳纳米管表面，该导电材料层包括与碳纳米管表面直接结合的润湿层以及设置在润湿层外的导电层，所述润湿层的材料为铁。
2.如权利要求1所述的线缆，其特征在于，每一碳纳米管表面设置有一导电层。
3.如权利要求1所述的线缆，其特征在于，所述导电层的材料为铜、银、金或其合金，所述导电层的厚度为1～20纳米。
4.如权利要求1所述的线缆，其特征在于，所述缆芯进一步包括一过渡层设置于所述导电层与润湿层之间，所述过渡层的材料为铜、银或其合金，所述过渡层的厚度为1～10纳米。
5.如权利要求1所述的线缆，其特征在于，所述缆芯进一步包括一抗氧化层设置于所述导电层外表面，所述抗氧化层的材料为金、铂或其合金，所述抗氧化层的厚度为1～10纳米。
6.如权利要求1所述的线缆，其特征在于，所述缆芯进一步包括一强化层设置于所述导电层外表面，所述强化层的材料为聚乙烯醇、聚苯撑苯并二噁唑、聚乙烯或聚氯乙烯，所述强化层的厚度为0.1～1微米。
7.如权利要求1所述的线缆，其特征在于，所述屏蔽结构为碳纳米管线、碳纳米管膜或上述两种结构的组合，该碳纳米管线直接缠绕或编织成网状缠绕在绝缘结构外，该碳纳米管膜直接包覆或缠绕在绝缘结构外。
8.如权利要求1所述的线缆，其特征在于，所述缆芯包括多个相互平行、相互扭转或相互缠绕的碳纳米管绞线结构。
9.如权利要求1所述的线缆，其特征在于，所述碳纳米管绞线结构的直径为4.5纳米～1毫米。
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