CN105469852A - 一种复合型石墨烯光纤电缆及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种复合型石墨烯光纤光缆及制备方法，其中复合型石墨烯光纤光缆，包括：石英光纤，石英光纤包层，铜箔石墨烯膜层，保护绝缘层。其特征在于在铜箔上用CVD法沉积生长一层石墨烯薄膜，形成铜箔石墨烯膜层，铜箔石墨烯膜层的铜箔侧涂覆胶粘层，石英光纤的纤芯外层包裹一层石英光纤包层，把生长石墨烯薄膜的铜箔卷绕在石英光纤的外层，构成石墨烯光纤导电体，石墨烯光纤导电体的外侧涂覆一层绝缘保护层，构成石墨烯光纤电缆。由于石墨烯具有高导电性，其电子迁移率是铜的100倍以上，经过铜箔层的电子较少，对光纤纤芯起到信号屏蔽，保证了光信号的稳定性和低衰减性，内部的石英光纤是光信号传输介质，光信息信号从石英光纤传输，在同一根石墨烯光纤电缆里实现电力和光信号的同步传输。<b><sub /></b>

Description

一种复合型石墨烯光纤电缆及制备方法

技术领域

本发明电力输电领域，具体涉及一种可以同时输送电力和传输信号的电力光缆即一种复合型石墨烯光纤光缆及制备方法。

背景技术

光纤电缆也就是电力光缆是指把光纤放置在架空高压输电线的地线中，用以构成输电线路上的光纤通信网，这种结构形式兼具电缆与通信双重功能，一般称作OPGW光缆，还有一种是在传统的相线结构中将光纤单元复合在导线中的光缆，是充分利用电力系统自身的线路资源，特别是电力配网系统，避免在频率资源、路由协调、电磁兼容等方面与外界的矛盾，使之具有传输电能及通信的双重功能。

从目前来看，电力光纤主要是把金属电缆和石英光纤简单的复合在一起，这样制作工艺复杂，成本高，且由于光纤和电缆简单的复合，由于两种材质属性不一样，导致产品一致性差，且安装使用复杂，难以推广应用。

石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小，同时，石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300W/（m·K），高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/（V·s），又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中的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。

目前国内在光纤电缆技术有本发明人在2014年申请公开的一种铜基石墨烯光纤电缆，公开号CN204143944U，该技术特征是在在于石英光纤纤芯外层包裹一层石英光纤包层，在石英光纤包层上镀上一层铜镀层，在铜镀层的外层沉积生长一层石墨烯膜层，构成单根铜基石墨烯光纤。这种技术由于在镀铜上生长石墨烯要在高温炉中进行，其温度要在800-1000℃，这样对镀铜面和石英光纤线芯都有一定的损害，且制作工艺复杂，生产成本较高，不宜推广和产业化，亟待解决。

发明内容

为了解决现有石墨烯电光缆存在的问题，解决传统电光缆成本高，安装维护困难控制系统复杂，安全可靠性低问题。本发明提供一种复合型石墨烯光纤光缆及制备方法。

本发明为实现其目的所采取的技术方案：一种复合型石墨烯光纤光缆及制备方法，其中复合型石墨烯光纤光缆，包括：石英光纤，石英光纤包层，铜箔石墨烯膜层，保护绝缘层。其特征在于在铜箔上用CVD法沉积生长一层石墨烯薄膜，形成铜箔石墨烯膜层，铜箔石墨烯膜层的铜箔侧涂覆胶粘层，石英光纤的纤芯外层包裹一层石英光纤包层，把生长石墨烯薄膜的铜箔卷绕在石英光纤的外层，构成石墨烯光纤导电体，石墨烯光纤导电体的外侧涂覆一层绝缘保护层，构成石墨烯光纤电缆。由于石墨烯具有高导电性，其电子迁移率是铜的100倍以上，石墨烯导电层是电力传输介质，由于铜的电导率比石墨烯低很多，经过铜箔层的电子较少，对光纤纤芯起到信号屏蔽，使光纤纤芯的光信号不受外层导电层的电信号影响，保证了光信号的稳定性和低衰减性，内部的石英光纤是光信号传输介质，光信息信号从石英光纤传输，在同一根石墨烯光纤电缆里实现电力和光信号的同步传输。

所述的铜箔，其特征在于铜箔是长带状，铜箔的长度在1-10km，宽度10-20cm，厚度为10-500μm，铜的纯度98-100%，铜箔上石墨烯膜层的厚度为10-100μm。

所述的石墨烯光纤光缆，其特征在于石英光纤的包层外卷绕铜箔石墨烯膜层，铜箔石墨烯膜层的卷绕次序为铜箔层紧靠石英光纤包层为卷绕内侧，石墨烯膜层为卷绕外侧，铜箔石墨烯膜层的层数1-100层。

所述的石墨烯光纤光缆，其特征在于石英光纤的包层外卷绕铜箔石墨烯膜层，铜箔石墨烯膜层在卷绕时，铜箔层涂上一层胶粘层，胶粘层的厚度为50-300μm，把铜箔与石英光纤的包层紧紧粘接在一起，然后连续卷绕层层胶粘。

所述的石墨烯膜层，其特征在于石墨烯膜层为二维六角型呈蜂巢晶格的平面单原子层薄膜，附着在铜箔层上的石墨烯膜层数为1-20层。

所述的石墨烯光纤光缆，其特征在于由1-100石墨烯光纤导电体的外侧涂覆一层绝缘层，构成一束墨烯导电光纤，外面包裹绝缘层，绝缘层为聚乙烯或聚氯乙烯，构成石墨烯光纤电缆，石墨烯导电层是电力传输介质，内部的石英光纤是光信号传输介质，在同一根石墨烯光纤电缆里实现电力和光信号的同步传输。

一种复合型石墨烯光纤光缆的制备方法，该方法主要包括以下几个过程：一、铜箔生长石墨烯膜层过程，二、铜箔石墨烯膜层在光纤上连续卷绕过程，三、光纤导电体外层涂覆绝缘层过程。

一、铜箔生长石墨烯膜层过程，按如下步骤进行：

1、启动连续上产石墨烯高温沉降炉，预热并调试各仪表参数及机械传动装置；

2、预调试阶段，将长100米宽20厘米铜箔安置于预热室的铜箔支架上，并把铜箔通过各个绝热隔板的缝隙分别放置于相应的辊轴上，开启计时器，调试传动装置，设定转速，使铜箔在高温沉降室的迂回时间为40分钟，开启循环冷却装置，动力装置处于待启动状态；

3、系统清洗阶段，开启预热室的预加热装置，并开启各个工作室的清洗气的进气阀和出气阀，向整个系统以400sccm氩气通入清洗各工作室，使工作室内为无氧环境；继续向系统内充入氩气至整个系统内压强为0.1Mpa，并观察氧气检测仪的氧气成分，氧气含量在0.01PPM以下，封闭各工作室的进气阀和抽气阀；此处的气压为正压条件，经大量实验证实，当正压条件为0.05MPa-0.25MPa时，反应效果最佳，这里优选为0.1Mpa；

4、系统升温阶段，将完成步骤2的高温沉降室内温度在50分钟内升至1000℃，并保持1000℃的恒定温度30分钟；

5、沉降生长阶段，恒温阶段结束后，保持恒温温度打开高温沉降室的原料气的进气阀和出气阀，将流量为50sccm的高纯甲烷气体和流量为500sccm的氩气同时向高温沉降室通入40分钟，启动传动装置，各辊轴转动，铜箔移动，并维持系统内气压为0.01MPa；

6、降温检测阶段，高温沉降室内的铜箔上不断沉降生长石墨烯，随着时间推移，出离高温沉降室的石墨烯铜箔通过预冷室和快速降温时，这时石墨烯薄层温度已降至室温25℃左右，石墨烯薄层通过石墨烯检测仪进行检测，以确定石墨烯薄层质量、层数，直到生产相应的卷长时，在铜箔的表面生长有石墨烯膜；

7、取出已生长石墨烯膜层的铜箔，经过检测，装箱备用。

二、铜箔石墨烯膜层在光纤上连续卷绕过程，按如下步骤进行：

1、预卷绕阶段，将已制备好的铜箔石墨烯膜放入卷绕机中，调整卷绕机各设定参数，并把已调和好的胶粘层放入胶粘盒中待用；

2、粘接卷绕阶段，启动卷绕机，铜箔石墨烯膜的铜箔侧涂覆胶粘层，形成胶粘层，胶粘层的厚度为100μm，铜箔石墨烯膜围绕石英光纤进行卷绕，该卷绕方式是横向错位卷绕，由于铜箔石墨烯膜错位卷绕在轴向上产生错位位移，卷绕铜箔石墨烯膜的石英光纤不断移动，这样就实现连续生产，形成成卷的石墨烯导电体。

三、光纤导电体外层涂覆绝缘层过程，本过程与传统的电缆绝缘层的涂覆方案相同，这里不再叙述。

通过以上步骤，一根完整的石墨烯光纤电缆制作完成。

本发明的有益效果：

1、由于采用了石墨烯作为导电体，大大降低了导体的电阻率，提高了输电效率，石墨烯强度大，质量轻便于安装维护，同时，石墨烯耐氧化不腐蚀，使电缆寿命大大加强。

2、在铜箔上直接生长石墨烯，使石墨烯膜层沉积生长在铜箔上，生产工艺简单，石墨烯附着力强，石墨烯电光缆性能稳定可靠。

3、采用输电和传输信息一体化设计，改变了传统输电和信息传输模式，实现一根电缆具备输电和传输信息的双重功能。

4、采用铜箔石墨烯膜层卷绕在石英光纤上，方法便捷，可连续生产，工作效率高，成本低，便于应用。

由于采用了上述技术方案，从而使本发明实解决传统电力电缆应用的制约条件，石墨烯与光纤的有机结合，实现了输电的高效，低成本，安全可靠，有利于电力和通信事业的发展。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1、本发明一种复合型石墨烯光纤光缆截面结构示意图；

图2、本发明一种复合型石墨烯光纤光缆铜箔石墨烯膜示意图；

图3、本发明一种复合型石墨烯光纤光缆的石英光纤导电体示意图；

1、铜箔石墨烯膜层，11、铜箔，12、石墨烯膜，13、胶粘层，2、石英光纤，21、石英光纤包层，3、绝缘保护层，4、石英光纤导电体。

具体实施方式

一种复合型石墨烯光纤光缆，包括：石英光纤2，石英光纤包层21，铜箔石墨烯膜层1，保护绝缘层3。其特征在于在铜箔11上用CVD法沉积生长一层石墨烯薄膜12，形成铜箔石墨烯膜层1，铜箔石墨烯膜层1的铜箔11侧涂覆胶粘层13，石英光纤2的纤芯外层包裹一层石英光纤包层21，把生长石墨烯膜12的铜箔11卷绕在石英光纤2的外层，构成石墨烯光纤导电体4，石墨烯光纤导电体4的外侧涂覆一层绝缘保护层3，构成石墨烯光纤电缆。由于石墨烯具有高导电性，其电子迁移率是铜的100倍以上，石墨烯导电层是电力传输介质，由于铜的电导率比石墨烯膜低很多，经过铜箔层的电子较少，对光纤纤芯起到信号屏蔽，使光纤纤芯的光信号不受外层导电层的电信号影响，保证了光信号的稳定性和低衰减性，内部的石英光纤是光信号传输介质，光信息信号从石英光纤传输，在同一根石墨烯光纤电缆里实现电力和光信号的同步传输。

所述的铜箔，其特征在于铜箔11是长带状，铜箔11的长度在1-10km，宽度10-20cm，厚度为10-500μm，铜的纯度98-100%，铜箔11上石墨烯膜层12的厚度为10-100μm。

所述的石墨烯光纤光缆，其特征在于石英光纤2的包层外卷绕铜箔石墨烯膜层1，铜箔石墨烯膜层1的卷绕次序为铜箔11层紧靠石英光纤包层21为卷绕内侧，石墨烯膜层12为卷绕外侧，铜箔石墨烯膜层1的层数1-100层。

所述的石墨烯光纤光缆，其特征在于石英光纤2的包层外卷绕铜箔石墨烯膜层1，铜箔石墨烯膜层1在卷绕时，铜箔11层涂上一层胶粘层13，胶粘层13的厚度为50-300μm，把铜箔与石英光纤的包层紧紧粘接在一起，然后连续卷绕胶粘。

所述的石墨烯膜层，其特征在于石墨烯膜12层为二维六角型呈蜂巢晶格的平面单原子层薄膜，附着在铜镀11层上的石墨烯膜层数为1-20层。

所述的石墨烯光纤光缆，其特征在于由1-100根石墨烯光纤导电体4的外侧涂覆一层绝缘层3，构成一束墨烯导电光纤，外面包裹绝缘层3，绝缘层3为聚乙烯或聚氯乙烯，构成石墨烯光纤电缆，石墨烯导电层是电力传输介质，内部的石英光纤是光信号传输介质，在同一根石墨烯光纤电缆里实现电力和光信号的同步传输。

实施例，本发明技术方案的具体实施，有以下几个过程：一、铜箔生长石墨烯膜层过程，二、铜箔石墨烯膜层在光纤上连续卷绕过程，三、光纤导电体外层涂覆绝缘层过程。

一、铜箔生长石墨烯膜层过程，按如下步骤进行：

1、启动连续上产石墨烯高温沉降炉，预热并调试各仪表参数及机械传动装置；

2、预调试阶段，将长100米宽20厘米铜箔安置于预热室的铜箔支架上，并把铜箔通过各个绝热隔板的缝隙分别放置于相应的辊轴上，开启计时器，调试传动装置，设定转速，使铜箔在高温沉降室的迂回时间为40分钟，开启循环冷却装置，动力装置处于待启动状态；

3、系统清洗阶段，开启预热室的预加热装置，并开启各个工作室的清洗气的进气阀和出气阀，向整个系统以400sccm氩气通入清洗各工作室，使工作室内为无氧环境；继续向系统内充入氩气至整个系统内压强为0.1Mpa，并观察氧气检测仪的氧气成分，氧气含量在0.01PPM以下，封闭各工作室的进气阀和抽气阀；此处的气压为正压条件，经大量实验证实，当正压条件为0.05MPa-0.25MPa时，反应效果最佳，这里优选为0.1Mpa；

4、系统升温阶段，将完成步骤2的高温沉降室内温度在50分钟内升至1000℃，并保持1000℃的恒定温度30分钟；

5、沉降生长阶段，恒温阶段结束后，保持恒温温度打开高温沉降室的原料气的进气阀和出气阀，将流量为50sccm的高纯甲烷气体和流量为500sccm的氩气同时向高温沉降室通入40分钟，启动传动装置，各辊轴转动，铜箔移动，并维持系统内气压为0.01MPa；

6、降温检测阶段，高温沉降室内的铜箔上不断沉降生长石墨烯，随着时间推移，出离高温沉降室的石墨烯铜箔通过预冷室和快速降温时，这时石墨烯薄层温度已降至室温25℃左右，石墨烯薄层通过石墨烯检测仪进行检测，以确定石墨烯薄层质量、层数，直到生产相应的卷长时，在铜箔的表面生长有石墨烯膜；

7、取出已生长石墨烯膜层的铜箔，经过检测，装箱备用。

二、铜箔石墨烯膜层在光纤上连续卷绕过程，按如下步骤进行：

1、预卷绕阶段，将已制备好的铜箔石墨烯膜放入卷绕机中，调整卷绕机各设定参数，并把已调和好的胶粘层放入胶粘盒中待用；

2、粘接卷绕阶段，启动卷绕机，铜箔石墨烯膜的铜箔侧涂覆胶粘层，形成胶粘层，胶粘层的厚度为100μm，铜箔石墨烯膜围绕石英光纤进行卷绕，该卷绕方式是横向错位卷绕，由于铜箔石墨烯膜错位卷绕在轴向上产生错位位移，卷绕铜箔石墨烯膜的石英光纤不断移动，这样就实现连续生产，形成成卷的石墨烯导电体。

三、光纤导电体外层涂覆绝缘层过程，本过程与传统的电缆绝缘层的涂覆方案相同，这里不再叙述。

通过以上步骤，一根完整的石墨烯光纤电缆制作完成。

上述实施例只是说明本发明的技术构思及特点，其目的是让本领域的普通技术人员能够了解本发明的特点并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所进行的等效变化或修饰，均应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种复合型石墨烯光纤光缆及制备方法，其中复合型石墨烯光纤光缆，包括：石英光纤，石英光纤包层，铜箔石墨烯膜层，保护绝缘层；其特征在于在铜箔上用CVD法沉积生长一层石墨烯薄膜，形成铜箔石墨烯膜层，铜箔石墨烯膜层的铜箔侧涂覆胶粘层，石英光纤的纤芯外层包裹一层石英光纤包层，把生长石墨烯薄膜的铜箔卷绕在石英光纤的外层，构成石墨烯光纤导电体，石墨烯光纤导电体的外侧涂覆一层绝缘保护层，构成石墨烯光纤电缆。

2.根据权利要求1所述的一种复合型石墨烯光纤光缆及制备方法，其特征在于铜箔是长带状，铜箔的长度在1-10km，宽度10-20cm，厚度为10-500μm，铜的纯度98-100%，铜箔上石墨烯膜层的厚度为10-100μm。

3.根据权利要求1所述的一种复合型石墨烯光纤光缆及制备方法，其特征在于石英光纤的包层外卷绕铜箔石墨烯膜层，铜箔石墨烯膜层的卷绕次序为铜箔层紧靠石英光纤包层为卷绕内侧，石墨烯膜层为卷绕外侧，铜箔石墨烯膜层的层数1-100层。

4.根据权利要求1或2所述的一种复合型石墨烯光纤光缆及制备方法，其特征在于石英光纤的包层外卷绕铜箔石墨烯膜层，铜箔石墨烯膜层在卷绕时，铜箔层涂上一层胶粘层，胶粘层的厚度为50-300μm，把铜箔与石英光纤的包层紧紧粘接在一起，然后连续卷绕层层胶粘。

5.根据权利要求1或2所述的一种复合型石墨烯光纤光缆及制备方法，其特征在于石墨烯膜层为二维六角型呈蜂巢晶格的平面单原子层薄膜，附着在铜箔层上的石墨烯膜层数为1-20层。

6.根据权利要求1所述的一种复合型石墨烯光纤光缆及制备方法，其特征在于由1-100石墨烯光纤导电体的外侧涂覆一层绝缘层，构成一束墨烯导电光纤，外面包裹绝缘层，绝缘层为聚乙烯或聚氯乙烯，构成石墨烯光纤电缆，石墨烯导电层是电力传输介质，内部的石英光纤是光信号传输介质，在同一根石墨烯光纤电缆里实现电力和光信号的同步传输。

7.一种复合型石墨烯光纤光缆的制备方法，主要包括以下过程：一、铜箔生长石墨烯膜层过程，二、铜箔石墨烯膜层在光纤上连续卷绕过程，三、光纤导电体外层涂覆绝缘层过程，其中，铜箔生长石墨烯膜层过程，按如下步骤进行：

a、启动连续上产石墨烯高温沉降炉，预热并调试各仪表参数及机械传动装置；

b、预调试阶段，将长100米宽20厘米铜箔安置于预热室的铜箔支架上，并把铜箔通过各个绝热隔板的缝隙分别放置于相应的辊轴上，开启计时器，调试传动装置，设定转速，使铜箔在高温沉降室的迂回时间为40分钟，开启循环冷却装置，动力装置处于待启动状态；

c、系统清洗阶段，开启预热室的预加热装置，并开启各个工作室的清洗气的进气阀和出气阀，向整个系统以400sccm氩气通入清洗各工作室，使工作室内为无氧环境；继续向系统内充入氩气至整个系统内压强为0.1Mpa；

d、系统升温阶段，将完成步骤c的高温沉降室内温度在50分钟内升至1000℃，并保持1000℃的恒定温度30分钟；

e、沉降生长阶段，恒温阶段结束后，保持恒温温度打开高温沉降室的原料气的进气阀和出气阀，将流量为50sccm的高纯甲烷气体和流量为500sccm的氩气同时向高温沉降室通入40分钟，启动传动装置，各辊轴转动，铜箔移动，并维持系统内气压为0.01MPa；

f、降温检测阶段，高温沉降室内的铜箔上不断沉降生长石墨烯，随着时间推移，出离高温沉降室的石墨烯铜箔通过预冷室和快速降温时，这时石墨烯薄层温度已降至室温25℃左右，在铜箔的表面生长有石墨烯膜。

8.根据权利要求7所述的一种复合型石墨烯光纤光缆及制备方法，其特征在于复合型石墨烯光纤光缆制备方法的铜箔石墨烯膜层在光纤上连续卷绕过程，按如下步骤进行：

a、预卷绕阶段，将已制备好的铜箔石墨烯膜放入卷绕机中，调整卷绕机各设定参数，并把已调和好的胶粘层放入胶粘盒中待用；

b、粘接卷绕阶段，启动卷绕机，铜箔石墨烯膜的铜箔侧涂覆胶粘层，形成胶粘层，胶粘层的厚度为100μm，铜箔石墨烯膜围绕石英光纤进行卷绕，该卷绕方式是横向错位卷绕，由于铜箔石墨烯膜错位卷绕在轴向上产生错位位移，卷绕铜箔石墨烯膜的石英光纤不断移动，这样就实现连续生产，形成成卷的石墨烯导电体。