CN105374410B - 石墨烯镀膜航空导线的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯镀膜航空导线及其制备方法，要解决的技术问题是在保证航空导线导体的传输性能和机械强度的前提下，降低航空导线的重量。本发明的石墨烯镀膜航空导线，以导体为线芯，线芯外包覆有绝缘层，导体为石墨烯导体。本发明的制备方法，包括以下步骤：生成连续均匀的石墨烯镀膜层，绞合，挤包或绕包绝缘层。本发明与现有技术相比,在镀镍或镀银铜丝表面生长一层石墨烯，提高了导体整体的导电性5％以上，同时加强了导体的机械强度,由于石墨烯镀膜的厚度只有纳米级，因此镀膜后几乎不增加导体的直径和重量,采用石墨烯镀膜导体的航空导线与普通航空导线相比，在传输相同导电容量载荷情况下，减小导体截面，减少航空导线整体重量。
Description
技术领域
本发明涉及一种导线的制备方法，特别是一种航空导线的制备方法。
背景技术
大飞机作为一个国家科技水平和工业实力的集中体现，其上下游产业链遍布范围极广，战略意义不言而喻。航空导线的基本要求是重量轻、直径小、耐高低温、耐磨及耐油和其他化学溶剂等。当前我国航空航天电缆以国家军标GJB 773A-2000《航空航天用含氟聚合物绝缘电线电缆通用规范》为主要体系。该规范适用于含氟聚合物绝缘电线电缆产品(以下简称航空导线)，聚合物可单独使用，也可以与其它材料组合使用。航空导线的导体有镀锡铜线、镀银铜线、镀镍铜线等，镀锡铜线在被逐步淘汰，目前以镀银铜线、镀镍铜线为主。各类镀层限制使用温度为：镀锡150℃，镀银200℃，镀镍250℃。对航空导线的自身重量要求是非常关键的要求之一，现有技术的导体以铜为基体，在铜表面镀一层耐腐蚀层，导线的重量相对较重。
发明内容
本发明的目的是提供一种石墨烯镀膜航空导线的制备方法，要解决的技术问题是在保证航空导线导体的传输性能和机械强度的前提下，降低航空导线的重量。
本发明采用以下技术方案：一种石墨烯镀膜航空导线，以导体为线芯，线芯外包覆有绝缘层，所述导体为石墨烯导体，截面面积为0.035～6mm2。
本发明的石墨烯导体采用软铜丝，软铜丝为镀镍或镀银铜丝，软铜丝外包覆有厚度不大于1nm的石墨烯层，形成石墨烯软铜丝，石墨烯软铜丝绞合后形成石墨烯导体。
本发明的软铜丝每根单丝直径为0.08～0.45mm。
本发明的石墨烯软铜丝为7根、19根或37根。
本发明的石墨烯软铜丝为同心式同向绞合，最外层绞向为左向,节径比最外层为10～15倍，最内层为20～30倍。
本发明的绝缘层为挤包形成的聚全氟乙丙烯或乙烯-四氟乙烯共聚物绝缘层，挤包绝缘层厚度为0.3～0.51mm；或所述绝缘层为绕包2～4层聚酰亚胺与聚四氟乙烯的复合薄膜带,薄膜带带宽2～20mm，带厚0.01～0.1mm,绕包绝缘层厚度为0.15～0.41mm。
一种石墨烯镀膜航空导线的制备方法，包括以下步骤：
一、将直径0.08～0.45mm的单根镀镍或镀银铜丝，以5～15℃/min升温速度，升温至600～900℃，气压10～100Pa，充入甲烷气体，流量为0.8～8升/小时，收放丝速度在0.5～2m/min，镀膜室长度为500～2000mm，在其表面镀膜，生成连续均匀的石墨烯镀膜层，厚度为0.2～1nm，镀膜完成后室温下自然冷却不少于3小时，得到石墨烯软铜丝；
二、将7根、19根或37根石墨烯软铜丝单丝在束丝机上进行绞合，最外层绞向为左向,绞合的节径比最外层为10～15倍，最内层为20～30倍，线速为5～8m/min，形成石墨烯导体，截面面积为0.035～6mm2；
三、在石墨烯导体外挤包或绕包绝缘层,挤包绝缘层的绝缘材料为聚全氟乙丙烯或乙烯-四氟乙烯共聚物，挤包绝缘层厚度为0.3～0.51mm；绕包绝缘层的绝缘材料采用聚酰亚胺与聚四氟乙烯的复合薄膜带，复合薄膜带宽2～20mm，带厚0.01～0.1mm，绕包2～4层，相邻两层绕包方向相反,绕包绝缘层厚度为0.15～0.41mm，绕包采用重叠式绕包工艺，绕包角度为25～50°，重叠率为60～80％，收线速度为5～15m/min，得到石墨烯镀膜航空导线。
本发明的方法绕包后进行高温烧结，高温烧结采用四段加热，每段的升温速度为5～10℃/min,烧结炉每段长度为2～3m，每段烧结温度分别为，第一段：290℃±10℃，第二段：430℃±10℃，第三段：410℃±10℃，第四段：380℃±10℃,四段升温烧结串联连续进行，收线速度控制在6～12m/min,烧结后在室温自然冷却。
本发明的方法镀镍或镀银铜丝镀膜前，采用羊毛毡轮，进行表面无灰尘、油污清洁处理。
本发明的方法石墨烯镀膜层生长过程以单层排列的方法多根同时生长。
本发明与现有技术相比,在镀镍或镀银铜丝表面生长一层导电性极佳的石墨烯，提高了导体整体的导电性5％以上，同时加强了导体的机械强度,由于石墨烯镀膜的厚度只有纳米级，因此镀膜后几乎不增加导体的直径和重量,采用石墨烯镀膜导体的航空导线与普通航空导线相比，在传输相同导电容量载荷情况下，可以减小导体截面，从而减少航空导线整体重量。
附图说明
图1是为本发明的石墨烯镀膜航空导线的结构示意图。
图2是本发明的生长石墨烯镀膜层过程示意图。
图3是本发明的绕包薄膜后烧结示意图。
图4是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明的石墨烯镀膜航空导线，以导体1为线芯，线芯外包覆有绝缘层2。
导体1为石墨烯导体，截面面积为0.035～6mm2。采用现有技术的软铜丝，软铜丝为镀镍或镀银铜丝，软铜丝外包覆有厚度不大于1nm的石墨烯层，形成石墨烯软铜丝，石墨烯软铜丝绞合后形成石墨烯导体。软铜丝每根单丝直径为0.08～0.45mm。石墨烯软铜丝为7根、19根或37根，采用同心式同向绞合，最外层绞向为左向,节径比最外层为10～15倍，最内层为20～30倍。
绝缘层2为挤包形成的聚全氟乙丙烯FEP或乙烯-四氟乙烯共聚物ETFE绝缘层，挤包绝缘层厚度为0.3～0.51mm；或绕包2～4层聚酰亚胺与聚四氟乙烯PI/PTFE的复合薄膜带,薄膜带带宽2～20mm，带厚0.01～0.1mm,较好为0.013～0.1mm,绕包绝缘层厚度为0.15～0.41mm。
本发明的石墨烯镀膜航空导线，采用化学汽相沉积CVD法在单根镀镍或镀银铜丝表面生长一层无色透明的石墨烯导电膜形成石墨烯软铜丝(镀膜单丝)，然后根据不同规格产品将不同根数的镀膜单丝绞合成不同规格的导体，再在导体外挤包聚全氟乙丙烯FEP，或乙烯-四氟乙烯共聚物ETFE绝缘层，或在导体外绕包2～4层聚酰亚胺与聚四氟乙烯PI/PTFE复合薄膜带作为绝缘层，最后进行高温烧结处理。
如图4所示，本发明的石墨烯镀膜航空导线的制备方法，包括以下步骤：
一、如图2所示，将直径0.08～0.45mm的单根镀镍或镀银铜丝，采用两组羊毛毡轮，去除铜丝表面的灰尘或污物，进行表面无灰尘、油污清洁处理。
经过清洁处理后的光洁镀镍或镀银铜丝经过高温反应炉，在其表面镀膜，生成连续均匀的石墨烯镀膜层，厚度为0.2～1nm。以5～15℃/min升温速度，升温至600～900℃，石墨烯镀膜层生长温度为600～900℃，气压10～100Pa，充入甲烷CH4气体，流量为0.8～8升/小时，石墨烯镀膜层生长过程采用连续生长方式，以单层排列的方法可以多根同时生长，收放丝速度在0.5～2m/min，高温反应炉的镀膜室长度为500～2000mm。镀膜完成后的石墨烯镀镍或镀银铜丝收线于线盘，收线速度控制在0.5～2m/min，室温(20℃)下自然冷却不少于3小时，得到完整镀膜的石墨烯镀镍或镀银铜丝,即石墨烯软铜丝。
二、将7根、19根或37根石墨烯软铜丝单丝在束丝机上进行绞合，采用同心式同向绞合，最外层绞向为左向,绞合的节径比最外层为10～15倍，最内层为20～30倍，线速为5～8m/min。形成石墨烯镀膜导体(石墨烯导体)，截面面积为0.035～6mm2。
三、在石墨烯导体外挤包或绕包绝缘层,挤包绝缘层的绝缘材料为聚全氟乙丙烯FEP或乙烯-四氟乙烯共聚物ETFE，在高温挤出机完成，挤包绝缘层厚度为0.3～0.51mm。
绕包绝缘层的绝缘材料采用聚酰亚胺与聚四氟乙烯PI/PTFE的复合薄膜带，复合薄膜带宽2～20mm，带厚0.01～0.1mm，绕包2～4层，相邻两层绕包方向相反,绕包绝缘层厚度为0.15～0.41mm。如图3所示，绕包在现有技术的立式绕包机上进行，绕包采用重叠式绕包工艺，绕包角度为30～50°，重叠率为60～80％，收线速度为5～15m/min。绕包后进行高温烧结，高温烧结采用四段加热，每段的升温速度为5～10℃/min,烧结炉每段长度为2～3m，每段烧结温度分别为，第一段：290℃±10℃，第二段：430℃±10℃，第三段：410℃±10℃，第四段：380℃±10℃,四段升温烧结串联连续进行，收线速度控制在6～12m/min,烧结后在室温自然冷却,得到石墨烯镀膜航空导线。
本发明方法制备的石墨烯镀膜航空导线,按GJB 1640-1993检测，导体直流电阻比该标准降低5～15％，导体导电性提高5％以上。
本发明的导体为镀镍或镀银铜丝单丝经化学汽相沉积在其表面生长一层石墨烯膜，使得导体导电性提高5％以上，同时其的机械性能也得到加强，且由于石墨烯膜厚度在1nm以下，几乎不影响导体重量，因而在传输相同导电容量载荷的前提下可以适当减小导体截面从而减轻航空导线的重量。
实施例1
石墨烯导体截面面积为0.035mm2，采用镀镍铜丝生长石墨烯膜、绕包聚酰亚胺与聚四氟乙烯PI/PTFE复合薄膜带的石墨烯镀膜航空导线。
一、将7根直径0.08mm镀镍铜丝通过放线轮后经过两组羊毛毡轮，去除铜丝表面的灰尘或污物，进行表面无灰尘、油污清洁处理。高温反应炉镀膜室温度设置为600℃，以5℃/min升温速度升温至设置温度。经处理过的光洁镀镍铜丝进入高温反应炉镀膜室，镀膜室气压100Pa，充入甲烷CH4气体，流量为0.8L/h，镀镍铜丝经过2000mm长的镀膜室后，在镀镍铜丝表面生成0.2nm厚的石墨烯膜，收于收线盘，收线速度为2m/min，室温下自然冷却3小时，得到石墨烯软铜丝。
二、将7根石墨烯软铜丝单丝在束丝机上进行绞合，采用同心式同向绞合，绞向为左向,绞合的节径比为10倍，线速为5m/min。形成石墨烯导体。
三、在石墨烯导体外绕包绝缘层,绕包绝缘层的绝缘材料采用聚酰亚胺与聚四氟乙烯PI/PTFE的复合薄膜带，在立式绕包机上进行，复合薄膜带宽2mm，带厚0.013mm，绕包2层，第一层绕包方向右向，第二层绕包方向左向，绕包绝缘层厚度为0.15mm，绕包角度为30°，重叠率为80％，收线速度为5m/min。绕包后进行高温烧结，每段的升温速度为5℃/min,烧结炉每段长度为2m，每段烧结温度分别为，第一段：280℃第二段：420℃第三段：400℃第四段：370℃,升温烧结连续进行，收线速度控制在6m/min,烧结后在室温自然冷却,得到石墨烯镀膜航空导线。在高温固化下绕包的绝缘材料固化形成致密管状整体的绝缘层。
本实施例制备的石墨烯镀膜航空导线,按GJB 1640-1993检测，导体直流电阻比该标准降低5％，导体导电性提高5％。
实施例2
石墨烯导体截面面积为1mm2，采用镀镍铜丝生长石墨烯膜、绕包聚酰亚胺与聚四氟乙烯PI/PTFE复合薄膜带的石墨烯镀膜航空导线。
一、将19根直径0.26mm镀镍铜丝通过放线轮后经过两组羊毛毡轮，去除铜丝表面的灰尘或污物，进行表面无灰尘、油污清洁处理。高温反应炉镀膜室温度设置为750℃，以10℃/min升温速度升温至设置温度。经处理过的光洁镀镍铜丝进入高温反应炉镀膜室，镀膜室气压10Pa，充入甲烷CH4气体，流量为4.4L/h，镀镍铜丝经过2000mm长的镀膜室后，在镀镍铜丝表面生成0.6nm厚的石墨烯膜，收于收线盘，收线速度为1.2m/min，室温下自然冷却6小时，得到石墨烯软铜丝。
二、将19根石墨烯软铜丝单丝在束丝机上进行绞合，采用同心式同向绞合，绞向为左向,绞合的节径比为12倍，线速为7m/min。形成石墨烯导体。
三、在石墨烯导体外绕包绝缘层,绕包绝缘层的绝缘材料采用聚酰亚胺与聚四氟乙烯PI/PTFE的复合薄膜带，在立式绕包机上进行，复合薄膜带宽7mm，带厚0.043mm，绕包2层，第一层绕包方向右向，第二层绕包方向左向，绕包绝缘层厚度为0.17mm，绕包角度为45°，重叠率为60％，收线速度为10m/min。绕包后进行高温烧结，每段的升温速度为5℃/min,烧结炉每段长度为2m，每段烧结温度分别为第一段：290℃第二段：430℃第三段：410℃第四段：380℃,升温烧结连续进行，收线速度控制在10m/min,烧结后在室温自然冷却,得到石墨烯镀膜航空导线。在高温固化下绕包的绝缘材料固化形成致密管状整体的绝缘层。
本实施例制备的石墨烯镀膜航空导线,按GJB 1640-1993检测，导体直流电阻比该标准降低8％，导体导电性提高6％。
实施例3
石墨烯导体截面面积为6mm2，采用镀镍铜丝生长石墨烯膜、绕包聚酰亚胺与聚四氟乙烯PI/PTFE复合薄膜带的石墨烯镀膜航空导线。
一、将37根直径0.45mm镀镍铜丝通过放线轮后经过两组羊毛毡轮，去除铜丝表面的灰尘或污物，进行表面无灰尘、油污清洁处理。高温反应炉镀膜室温度设置为900℃，以15℃/min升温速度升温至设置温度。经处理过的光洁镀镍铜丝进入高温反应炉镀膜室，镀膜室气压60Pa，充入甲烷CH4气体，流量为8L/h，镀镍铜丝经过2000mm长的镀膜室后，在镀镍铜丝表面生成1nm厚的石墨烯膜，收于收线盘，收线速度为0.5m/min，室温下自然冷却8小时，得到石墨烯软铜丝。
二、将37根石墨烯软铜丝单丝在束丝机上进行绞合，采用同心式同向绞合，绞向为左向,绞合的节径比为14倍，线速为15m/min。形成石墨烯导体。
三、在石墨烯导体外绕包绝缘层,绕包绝缘层的绝缘材料采用聚酰亚胺与聚四氟乙烯PI/PTFE的复合薄膜带，在立式绕包机上进行，复合薄膜带宽20mm，带厚0.1mm，绕包2层，第一层绕包方向右向，第二层绕包方向左向，绕包绝缘层厚度为0.41mm，绕包角度为50°，重叠率为60％，收线速度为15m/min。绕包后进行高温烧结，每段的升温速度为5℃/min,烧结炉每段长度为2m，每段烧结温度分别为第一段：300℃第二段：440℃第三段：420℃第四段：380℃,升温烧结连续进行，收线速度控制在12m/min,烧结后在室温自然冷却,得到石墨烯镀膜航空导线。在高温固化下绕包的绝缘材料固化形成致密管状整体的绝缘层。
本实施例制备的石墨烯镀膜航空导线,按GJB 1640-1993检测，导体直流电阻比该标准降低10％，导体导电性提高8％。
实施例4
石墨烯导体截面面积为6mm2，采用镀镍铜丝生长石墨烯膜、挤包绝缘材料为聚全氟乙丙烯FEP的石墨烯镀膜航空导线。
一、将37根直径0.45mm镀镍铜丝通过放线轮后经过两组羊毛毡轮，去除铜丝表面的灰尘或污物，进行表面无灰尘、油污清洁处理。高温反应炉镀膜室温度设置为900℃，以15℃/min升温速度升温至设置温度。经处理过的光洁镀镍铜丝进入高温反应炉镀膜室，镀膜室气压60Pa，充入甲烷CH4气体，流量为8L/h，镀镍铜丝经过2000mm长的镀膜室后，在镀镍铜丝表面生成1nm厚的石墨烯膜，收于收线盘，收线速度为0.5m/min，室温下自然冷却8小时，得到石墨烯软铜丝。
二、将37根石墨烯软铜丝单丝在束丝机上进行绞合，采用同心式同向绞合，绞向为左向,绞合的节径比为14倍，线速为15m/min。形成石墨烯导体。
三、在石墨烯导体外挤包绝缘层,挤包绝缘层的绝缘材料为聚全氟乙丙烯FEP，挤包绝缘层厚度为0.51mm。石墨烯导体挤包前预热，升温速度为5℃/min至300℃，预热3小时，石墨烯导体预热后挤包绝缘材料，挤包设备采用45挤出机氟塑料挤出机，机身加热段温度分别为：第一区：280±1℃，第二区：320±1℃，第三区：350±1℃，法兰：380±1℃，机头：380±1℃，绝缘挤出滤网为20/40//20目，螺杆转速8r/min，挤出速度为20m/min。聚全氟乙丙烯FEP挤出前干燥处理，处理装置温度为110℃，处理4小时。
本实施例制备的石墨烯镀膜航空导线,按GJB 1640-1993检测，导体直流电阻比该标准降低10％，导体导电性提高8％。
本发明的导体经石墨烯镀膜以后具有以下特点：1、石墨烯密度小、在保证导体机械性能的同时，因其具有优良的导电率和导热性，使石墨烯镀膜航空导线的传输性能大大提高，可以在满足电缆同等规格电性能的情况下，减小导体外径，也就减轻了导体的重量。2、软铜丝经高温反应炉，在表面均匀形成一层0.2～1nm厚石墨烯镀膜，该镀膜层不仅可提高导体的导电性能，因石墨烯良好的强度和韧性对导体机械性能改善也具有一定作用。
本发明的石墨烯镀膜航空导线具有导体传导率高、相同传输容量下可减少导体截面从而减少航空导线重量的优点、是一种理想的航空导线。
Claims (3)
1.一种石墨烯镀膜航空导线的制备方法，包括以下步骤：
(1)将直径0.08～0.45mm的单根镀镍或镀银铜丝，以5～15℃/min升温速度，升温至600～900℃，气压10～100Pa，充入甲烷气体，流量为0.8～8升/小时，收放丝速度在0.5～2m/min，镀膜室长度为500～2000mm，在镀镍或镀银铜丝表面镀膜，生成连续均匀的石墨烯镀膜层，厚度为0.2～1nm，镀膜完成后室温下自然冷却不少于3小时，得到石墨烯软铜丝；
(2)将7根、19根或37根石墨烯软铜丝单丝在束丝机上进行绞合，最外层绞向为左向,绞合的节径比最外层为10～15倍，最内层为20～30倍，线速为5～8m/min，形成石墨烯导体，截面面积为0.035～6mm2；
(3)在石墨烯导体外挤包或绕包绝缘层,挤包绝缘层的绝缘材料为聚全氟乙丙烯或乙烯-四氟乙烯共聚物，挤包绝缘层厚度为0.3～0.51mm；绕包绝缘层的绝缘材料采用聚酰亚胺与聚四氟乙烯的复合薄膜带，复合薄膜带宽2～20mm，带厚0.01～0.1mm，绕包2～4层，相邻两层绕包方向相反,绕包绝缘层厚度为0.15～0.41mm，绕包采用重叠式绕包工艺，绕包角度为25～50°，重叠率为60～80％，收线速度为5～15m/min，得到石墨烯镀膜航空导线；
所述绕包后进行高温烧结，高温烧结采用四段加热，每段的升温速度为5～10℃/min,烧结炉每段长度为2～3m，每段烧结温度分别为，第一段：290℃±10℃，第二段：430℃±10℃，第三段：410℃±10℃，第四段：380℃±10℃,四段升温烧结串联连续进行，收线速度控制在6～12m/min,烧结后在室温自然冷却。
2.根据权利要求1所述的石墨烯镀膜航空导线的制备方法，其特征在于：所述镀镍或镀银铜丝镀膜前，采用羊毛毡轮，进行表面无灰尘、油污清洁处理。
3.根据权利要求2所述的石墨烯镀膜航空导线的制备方法，其特征在于：所述石墨烯镀膜层生长过程以单层排列的方法多根同时生长。
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