CN105706179B - 电导体和形成其的方法 - Google Patents

Abstract

提供一种电导体。该电导体包括石墨层间化合物和在石墨层间化合物的至少一部分上延伸的导电材料的至少一个层。石墨层间化合物包括碳基颗粒和插入碳基颗粒中的多个客体分子。

Description

电导体和形成其的方法

技术领域

本公开内容的领域一般地涉及电导体，并且更具体地涉及至少部分地由石墨层间化合物形成的电导体。

背景技术

在至少一些已知的应用中，电力、电流和电/电子信号通常通过线或电缆传导。一般地，已知的电线或电缆包括导线芯和周边围绕导线芯布置的绝缘套。至少一些已知的导线芯由诸如铜、银、金和铝的材料制造。虽然这些已知的材料具有期望的电导率，但是在许多应用中通过开发具有减轻的重量和至少比得上已知金属电导体的电导率的电导体以减轻重量是持续目标。例如，在航空航天工业中，减轻航空器的重量通常导致增加的燃料效率和/或增加的有效载荷。

开发具有减轻的重量和比得上的电导率的电导体的至少一种已知的尝试已经包括了形成导电的石墨层间化合物。插层是在石墨碳的石墨烯(graphene)层之间引入客体分子或原子的方法。更具体地，由于石墨碳中邻近的石墨烯层之间相对弱的结合强度，至少一些已知的方法通过扩散将“掺杂物”客体分子或原子有效地引入石墨烯层之间。虽然当与类似尺寸的金属电导体相比时石墨层间化合物具有期望的电导率和减轻的重量，但是当暴露于增加的温度时石墨层间化合物通常是易碎的并且易受石墨层的剥落的影响。此外，用客体分子或原子插入石墨碳通常仅增大石墨碳的平面电导率，并且减小了法向于该平面的石墨碳的电导率。

发明内容

在本公开内容的一个方面，提供电导体。电导体包括石墨层间化合物和在石墨层间化合物的至少一部分上延伸的导电材料的至少一个层。石墨层间化合物包括碳基颗粒和插入碳基颗粒中的多个客体分子。

在本公开内容的另一个方面，提供电导体。电导体包括导电材料的基础基体(basematrix)和分散在基础基体中的多种石墨层间化合物。该多种石墨层间化合物的每种包括碳基颗粒和插入碳基颗粒中的多个客体分子。

在本公开内容的又另一个方面，提供形成电导体的方法。方法包括提供石墨层间化合物，该石墨层间化合物包括碳基颗粒和插入碳基颗粒中的多个客体分子。方法也包括在石墨层间化合物的至少一部分上延伸导电材料。导电材料是导电材料的至少一个层或导电材料的基础基体的形式。

进一步地，本公开内容包括根据以下条款的实施方式：

条款1.一种电导体，其包括：导电材料的基础基体；和分散在所述基础基体中的多种石墨层间化合物，其中所述多种石墨层间化合物的每种包括碳基颗粒和插入所述碳基颗粒中的多个客体分子。

条款2.根据条款1的电导体，其中该多种石墨层间化合物包括按体积计至多大约70％的电导体。

条款3.根据条款1的电导体，其中所述基础基体在所述多种石墨层间化合物上延伸，使得所述多个客体分子被封闭在所述碳基颗粒内。

条款4.根据条款1的电导体，其中所述碳基颗粒是选自以下的形状：片状、小板、纤维、球、管和棒。

条款5.根据条款1的电导体，其中所述基础基体由铜、银、金和铝中的至少一种制造。

附图说明

图1是示例性航空器生产和服务方法的流程图。

图2是示例性航空器的方框图。

图3是示例性电导体的示意性横截面图解。

图4是可选电导体的示意性图解。

图5是图解形成电导体的示例性方法的流程图。

具体实施方式

本文描述的实施涉及至少部分由石墨层间化合物(GIC)形成的电导体。GIC由具有插入其中的多个客体分子的碳基颗粒形成。在示例性实施中，然后GIC被导电材料围绕以形成本文所述的电导体。例如，导电材料可以是导电材料的至少一层或者导电材料的基础基体的形式。GIC可以具有比类似尺寸的金属电导体——诸如铜——高大约五倍的平面电导率和小大约四倍的重量。因此，相比于由已知的金属导电材料形成的类似尺寸的电导体，本文所述的电导体重量更轻并且具有至少比得上的电导率。

参考附图，可以在航空器制造和服务方法100(图1中所示)的背景下以及通过航空器102(图2中所示)描述本公开内容的实施。在预生产期间，在制造过程期间可以使用包括航空器102的规格和设计104数据，并且可以采购与机身相关联的其他材料106。在生产期间，航空器102的部件和子组件制造108和系统集成110发生在航空器102进入它的认证和交付过程112之前。在成功的满意度和机身认证完成之后，航空器102可以被投入使用114。当客户使用时，航空器102被定期、日常地安排，并且被安排维修和服务116，例如，包括任何改进、重新配置和/或整修。在可选的实施中，制造和服务方法100可以通过除了航空器之外的交通工具实施。

与航空器制造和/或服务100相关的每个部分和过程可以通过系统集成商、第三方和/或运营商(例如，客户)执行或完成。为了此描述的目的，系统集成商可以包括，不限于，任何数量的航空器制造商和主系统转包商；第三方可包括，不限于，任何数量的订货商、转包商和供应商；并且运营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体和服务组织等。

如图2中所示，通过方法100生产的航空器102可以包括具有多个系统120的机身118和内部122。高水平系统120的实例包括一个或多个推进系统124、电力系统126、液压系统128和/或环境系统130。可以包括任何数量的其他系统。

在方法100的任何一个或多个步骤期间可以采用本文包括的设备和方法。例如，可以以类似于当航空器102处在服务中时生产的部件或子组件的方式制造或加工对应于部件生产过程108的部件或子组件。并且，在生产步骤108和110期间，可以利用一种或多种设备实施、方法实施或其组合，例如，通过基本上加速航空器102的装配和/或降低航空器102的装配成本。类似地，当航空器102服务或维修时，例如，在安排维修和服务116期间，可以利用一种或多种设备实施、方法实施或其组合。

如本文所使用，术语“航空器”可包括，但不限于仅包括，飞机、无人机(UAV)、滑翔机、直升机和/或穿过空域行进的任何其他对象。进一步地，在可选的实施中，在任何制造和/或服务运营中，可以使用本文所述的航空器制造和服务方法。

图3是示例性电导体200的示意性横截面图解。在示例性实施中，电导体200包括石墨层间化合物(GIC)202和在GIC 202的至少一部分上延伸的导电材料的层204。GIC 202由碳基颗粒206和插入碳基颗粒206中的多个客体分子208形成。碳基颗粒206可以是使电导体200能够如本文所述地起作用的任何形状。示例性形状选自，但不限于片状、小板、纤维、球、管和棒。此外，碳基颗粒206由石墨碳制造，例如高定向热解石墨，包括在基本上平面方向210延伸的石墨烯的层212。

如以上所述，客体分子208插入碳基颗粒206中。更具体地，客体分子208被定位在碳基颗粒206的石墨烯的邻近的层212之间。客体分子208由使电导体200能够如本文所述地起作用的任何材料制造。示例性材料包括，但不限于，溴、钙和钾。

在示例性实施中，导电材料的层204包括导电材料的第一层214、导电材料的第二层216和导电材料的第三层218。第一层214在GIC 202的至少一部分上延伸，第二层216在第一层214的至少一部分上延伸，并且第三层218在第二层216的至少一部分上延伸。第一、第二和第三层214、216和218用作不同的功能。例如，在示例性实施中，例如，第一层214促进第二层216粘附至GIC 202，第二层216由可以比用于形成第一和第三层214和218的材料更便宜的导电材料制造，并且第三层218促进保护第二层216免受氧化和/或物理应变。在可选的实施中，电导体200可包括使电导体200能够如本文所述地起作用的任何数量的层204。

每个层204可以由使电导体200能够如本文所述地起作用的任何材料制造。在示例性实施中，每个层204由不同的材料制造。用于制造第一层214的示例性材料包括，但不限于，铬和钛。用于制造第二层216的示例性材料包括，但不限于，铜、银、金和铝。用于制造第三层218的示例性材料包括，但不限于，银、金和铝。通过任何合适的方法在GIC 202上施加层204。示例性方法包括，但不限于，溅射、离子束镀、电镀、化学镀、湿化学法和气相沉积。

在示例性实施中，层204在GIC 202上延伸使得客体分子208被完全封闭在碳基颗粒206内。更具体地，层204以平面方向210和相对于平面方向210的法向方向220二者在GIC202上延伸以将GIC 202包封在导电覆盖层内(未显示)。在一些实施中，以法向方向220在GIC 202上延伸层204促进增加电导体200在法向方向220上的电导率。如以上所述，将客体分子208插入碳基颗粒206中一般仅增加GIC 202在平面方向210上的电导率。更具体地，将客体分子208插入碳基颗粒206中增加了邻近的石墨烯层212之间的距离D。随着距离D增加碳基颗粒206在法向方向220上的电导率减小。因此，在示例性实施中，层204给多个GIC 202提供给定的GIC 202的高平面导电性之间的低电阻互连路径以形成导电复合层(未显示)。

在一些实施中，多个电导体200可以互连以促进形成延长的电导体(未显示)。例如，多个电导体200可以被物理地、化学地和/或电化学地结合以促进形成延长的电导体。因为层204由导电材料形成，互连多个电导体200促进形成基本上连续的电导体。

图4是可选电导体224的示意性图解。在示例性实施中，电导体224包括导电材料的基础基体226和分散在基础基体226中的多个GIC 202。基础基体226由使电导体224能够如本文所述地起作用的任何材料制造。在示例性实施中，基础基体226由金属材料制造。如本文所使用，术语“金属”可以指单一金属材料或金属合金材料。用于制造基础基体226的示例性材料包括，但不限于，铜、银、金和铝。

因为与用于制造基础基体226的材料相比GIC 202一般地具有较小的重量、比得上的或较大的电导率，所以将GIC 202分散在基础基体226中形成这样的电导体224：该电导体224比仅由基础基体材料形成的类似尺寸的传统电导体重量更轻。因此，重量减轻是电导体224中GIC 202的体积百分比的函数。可以选择使电导体224能够如本文所述地起作用的电导体224中的GIC 202的任何体积百分比。在示例性实施中，电导体224中的GIC 202的体积百分比是按体积计电导体224的至多大约70％，但与传统的电导体，诸如铜相比时，其可导致电导体224的至少大约50％重量减轻。

图5是图解形成电导体——诸如电导体200——的方法300的流程图。方法300包括提供302石墨层间化合物，诸如GIC 202，其中石墨层间化合物包括碳基颗粒，诸如碳基颗粒206，和插入碳基颗粒中的多个客体分子，诸如客体分子208。方法300也包括在石墨层间化合物的至少一部分上延伸304导电材料，诸如导电材料的层204。导电材料是导电材料的至少一个层或导电材料的基础基体——诸如基础基体226——的形式。

本文描述的实施包括相对于类似尺寸的纯金属电导体具有减轻的重量和至少比得上的电导率的电导体。更具体地，本文描述的电导体至少部分地由石墨层间化合物形成。如以上所描述，石墨层间化合物可以具有比纯金属电导体——诸如铜导体——高大约五倍的电导率和轻大约四倍的重量。因此，本文描述的电导体相对于由已知金属、导电材料形成的类似尺寸的电导体重量更轻并且具有至少比得上的电导率。

此书面说明使用实例以公开各种实施，包括最佳方式，并且也以使任何本领域技术人员能够实践各种实施，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何合并的方法。本公开内容的可专利性范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他实施例。如果其他的实例具有与权利要求的字面语言相同的结构部件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质区别的等同的结构部件，这种其他的实例意欲在权利要求的范围内。

Claims (12)

1.一种电导体，其包括：

石墨层间化合物，所述石墨层间化合物包括：

碳基颗粒；和

插入所述碳基颗粒中的多个客体分子；和

在所述石墨层间化合物的至少一部分上延伸的导电材料的多个层，使得所述多个客体分子被封闭在所述碳基颗粒内，其中所述导电材料的多个层的每个由不同的材料制造，所述导电材料的多个层提供低电阻互连路径，其增加所述电导体在法向方向上的电导率。

2.根据权利要求1所述的电导体，其中所述导电材料的多个层包括在所述石墨层间化合物的至少所述部分上延伸的粘附层、在所述粘附层的至少一部分上延伸的导电层，和在所述导电层的至少一部分上延伸的保护层。

3.根据权利要求1或2所述的电导体，其中所述碳基颗粒是选自以下的形状：片状、小板、纤维、球、管和棒。

4.根据权利要求1或2所述的电导体，其中所述碳基颗粒包括石墨碳。

5.根据权利要求4所述的电导体，其中所述石墨碳包括以基本上平面方向延伸的石墨烯的多个层，其中所述导电材料的多个层包封所述石墨烯的多个层。

6.根据权利要求1所述的电导体，其中所述多个客体分子由溴、钙和钾中的至少一种制造。

7.根据权利要求1所述的电导体，其中所述导电材料的多个层由铜、银、金和铝的至少一种制造。

8.一种形成电导体的方法，所述方法包括：

提供石墨层间化合物，其中所述石墨层间化合物包括碳基颗粒和插入所述碳基颗粒中的多个客体分子；和

在所述石墨层间化合物的至少一部分上延伸导电材料，使得所述多个客体分子被封闭在所述碳基颗粒内，其中所述导电材料是导电材料的多个层的形式，其中所述导电材料的多个层的每个由不同的材料制造，其中所述导电材料的多个层提供低电阻互连路径，其增加所述电导体在法向方向上的电导率。

9.根据权利要求8所述的方法，其中提供石墨层间化合物包括由石墨碳形成所述碳基颗粒，所述石墨碳包括在基本上平面方向延伸的石墨烯的多个层，其中所述导电材料的多个层包封所述石墨烯的多个层。

10.根据权利要求8所述的方法，其中提供石墨层间化合物包括提供选自以下形状的所述碳基颗粒：片状、小板、纤维、球、管和棒。

11.根据权利要求8所述的方法，其中延伸导电材料包括通过溅射、离子束镀、电镀、化学镀、湿化学法和气相沉积方法中的至少一种在所述石墨层间化合物上延伸导电材料。

12.根据权利要求8所述的方法，其中延伸导电材料包括由铜、银、金和铝中的至少一种制造所述导电材料。