CN108461171A - 金属/碳纳米管复合电线 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及金属/碳纳米管复合电线。公开了一种多线束复合电导体组件(10)。所述多线束复合电导体组件(10)包括由碳纳米管形成的线束(12)和具有与所述碳纳米管线束基本上相同长度的细长金属线束(14)。所述组件还可包括具有与所述碳纳米管线束(12)基本上相同长度的多个金属线束(14)。所述碳纳米管线束(12)可经定位作为中央线束(12)，并且所述多个金属线束(14)围绕所述碳纳米管线束(12)。所述金属线束(14)可由材料(诸如铜、银、金或铝)形成，并且可用材料(诸如镍、锡、铜、银和/或金)镀覆。替代地或附加地，所述金属线束(14)可被材料(诸如镍、锡、铜、银和/或金)覆盖。

Description

金属/碳纳米管复合电线
关联申请的交叉引用
本申请要求2017年2月20日提交的美国专利申请No.15/436,898的优先权的权益。
技术领域
本发明大体涉及电线，并且更具体地涉及由碳纳米管和金属线束形成的复合电线。
背景技术
传统上，汽车电缆由铜线导体制成，其在典型的载客车辆中可能具有15至28千克的质量。为了减小车辆质量来满足车辆排放要求，汽车制造商已经开始使用铝导体。然而，与相同尺寸的铜线相比，铝线导体具有减小的抗断强度和减小的伸展强度，并且因此并不是具有小于0.75mm2(直径约0.5mm)的横截面的电线的最佳替代品。现代车辆中的许多电线正在传输数字信号，而不是携载通过车辆的电力。对数据信号电路选择的电线直径通常由电线的电线强度要求而不是电线的电特性来驱动，并且可以通过使用小直径电线有效地制造电路。
采用强度构件(诸如芳族聚酰胺纤维线束)与金属线束相结合的细长复合导体或复合电线已经被用于改进强度并减轻最终导体的重量。其他复合材料(诸如包含不锈钢线束的复合材料)已经被用于提高强度并且对重量几乎没有影响。然而，包含诸如芳族聚酰胺纤维的非导电构件或诸如不锈钢的高电阻构件会增加复合电线的整体电阻。此外，复合电线不能很好地适用于压接在端子上而端接。在压接过程期间，非导电或高电阻构件可能移动到电线的外部部分，由此导致在端子和电线之间增加的电阻。该增加是由于芳族聚酰胺纤维和不锈钢线束的高电阻导致的。
绞合碳纳米管(CNT)是轻质导电体，可以为小直径电线提供足够的强度。然而，CNT线束目前不能为大多数汽车应用提供足够的导电性。此外，CNT线束不容易通过压接在端子上而端接。进一步，由于不容易被焊料弄湿，所以CNT线束难以通过焊接在端子上而端接。
由此，对于用于小规格布线的铜线导体的较小质量替代物仍然是期望的。
背景技术部分中所讨论的主题不应当只因为它在背景技术部分中的提及而被假定为现有技术。类似地，背景技术部分中提到的或与背景技术部分的主题相关联的问题不应被假定为在现有技术中已经被在先认识到。背景技术部分中的主题仅仅表示不同的方法，它们本身也可能是发明。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了一种多线束复合电导体组件。多线束复合电导体组件包括基本上由具有至少50毫米的长度的碳纳米管组成的细长线束和与碳纳米管线束具有基本相同长度的细长金属线束。该组件还可包括具有与碳纳米管线束基本上相同长度的多个金属线束。碳纳米管线束可被定位成中央线束，并且多个金属线束包围碳纳米管线束。该组件可包括一根碳纳米管线束和六根金属线束。金属线束可由材料(诸如铜、银、金或铝)形成。金属线束可镀有材料(诸如镍、锡、铜、银和/或金)。替代地或附加地，金属线束可被材料(诸如镍、锡、铜、银和/或金)覆盖。该组件还可以包括压接或焊接到组件的一端的电端子。该组件也可以包括由包封金属线束和碳纳米管线束两者的介电聚合物材料形成的绝缘套管。
附图说明
现在将参考各个附图通过示例的方式来描述本发明，其中：
图1是根据一个实施例的多线束复合电导体组件的立体图；
图2是根据一个实施例的压接到图1的多线束复合电导体组件的端子的截面图；以及
图3是根据另一个实施例的多线束复合电导体组件的立体图。
具体实施方式
绞合的碳纳米管(CNT)导体提供与绞合的金属导体相比改进的强度和减小的密度。绞合的CNT导体与具有相同直径的铜线束相比具有高160％的拉伸强度，与具有相同直径的铝线束相比具有高330％的拉伸强度。此外，绞合的CNT导体具有铜线束的16％的密度和铝线束的52％的密度。然而，绞合的CNT导体与铜线束相比具有高16.7倍的电阻，与铝线束相比具有高8.3倍的电阻，这导致减小的导电性。为了解决绞合的CNT导体的减小的导电性，提供了由一个或多个CNT线束与一个或多个金属、镀金属、或金属包覆的线束组成的复合导体，即复合电线。复合电线的CNT线束提高了所得的复合电线的强度和密度，而复合电线的金属线束提高了整体导电性。CNT线束的高拉伸强度允许具有相同总拉伸强度的复合电线中更小直径金属导体，而金属线束提供足够的导电性，特别是在数字信号传输应用中。与金属线束相比，CNT线束的低密度也提供了重量减轻。发明人还观察到，与由芳族聚酰胺或不锈钢线束制成的复合电线相比，包含导电CNT线束提高了电端子到复合电线的端部的压接附接的性能，因为CNT线束12与芳族聚酰胺股线不同的是具有连接性，并且与不锈钢线束不同的是具有与铜线束相似的压缩性能。
图1示出了多线束复合电导体组件(下文称为复合电线10)的非限制性示例。复合电线包括基本上由碳纳米管组成的且具有至少50毫米的长度的一个细长线束12。在汽车应用中，复合电线可具有高达7米的长度。碳纳米管(CNT)线束12通过使具有约若干微米至若干毫米长度的碳纳米管纤维纺成具有期望的长度和直径的线束或纱线而形成。用于形成CNT线束的过程可使用本领域技术人员熟悉的湿法或干法纺丝过程。在示出的示例中，CNT线束12被六个细长金属线束14包围，六个细长金属线束14由铜形成且具有与碳纳米管线束12基本相同的长度，并且绕CNT线束12扭曲。如本文中使用的“基本相同的长度”意味着铜线束14的长度与CNT线束12的长度相差1％或更少。此外，如本文中使用的，术语“铜”意味着元素铜或其中铜是主要成分的合金。
在替代的实施例中，金属线束14可由铝、银、或金形成。如本文中使用的，术语“铝、银、和金”意味着由命名元素或其中命名元素是主要成分的合金。替代地或附加地，金属线束14的外表面可被另一金属材料(诸如镍、锡、铜、银和/或金)镀覆或包覆。可以添加镀层16或包层16以提供金属线束14的增强的导电性或提供耐腐蚀性。如本文中使用的，术语“镍和锡”意味着由命名元素或其中命名元素是主要成分的合金。用于用其他金属镀覆或包覆金属电线14的过程是本领域技术人员熟知的。
铜线束14和CNT线束12被包封在由诸如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚酰胺(NYLON)或聚四氟乙烯(PFTE)的介电材料形成的绝缘护套18内。绝缘护套可以优选具有0.1和0.4毫米之间的厚度。可以通过使用本领域技术人员熟知的压制工艺将绝缘护套施加在铜和CNT线束12,14上。
如图2中示出的，复合电线10的一端由具有一对卷边翼22的电端子20端接，一对卷边翼22折叠在复合电线10上并被压缩以在复合电线10和端子20之间形成压接连接。发明人已经发现，使用常规的压接端子和压接形成技术可以实现复合电线10和端子20之间的令人满意的连接。替代地，电端子可以被焊接到复合电线的端部。
图3示出了复合电线24的替代实施例。如图3中所示，单个铜线束26被六根CNT线束28包围。铜线束26和CNT线束28被包封在由诸如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺或聚四氟乙烯的介电材料形成的绝缘护套30内。
复合电线的替代实施例可以具有更多的或更少的CNT线束以及更多的或更少的金属线束。每种类型的线束的数量和直径将由机械强度、电导率、和电流容量的设计考虑来驱动。复合电线的长度将由复合电线的特定应用决定。
因此，提供了多线束电导体组件10或复合电线。与金属线束相比，复合电线10提供了减小的直径和重量的益处，同时还为许多应用特别是数字信号传输提供足够的导电性。
尽管已经根据本发明的优选实施例描述了本发明，但是并不旨在受限于此，而是仅受随后的权利要求书中所阐述的范围限制。此外，术语第一、第二等的使用不表示任何的重要顺序，相反术语第一、第二等被用来将一个要素与另一要素区别开来。此外，术语一、一个等的使用不表示对量的限制，而是表示所引述项的至少一个的存在。此外，诸如上、下等的方向术语不表示任何特定的取向，相反术语上、下等被用来将一个要素与另一要素区别开来且建立各种要素之间的位置关系。

Claims (10)

1.一种多线束复合电导体组件(10)，包括：
细长线束(12)，基本上由具有至少50毫米的长度的碳纳米管组成；以及
细长金属线束(14)，具有与所述碳纳米管线束(12)基本相同的长度。
2.根据权利要求1所述的多线束复合电导体组件(10)，还包括与所述碳纳米管线束(12)具有基本相同长度的多个金属线束(14)。
3.根据权利要求2所述的多线束复合电导体组件(10)，其中所述碳纳米管线束(12)是中心线束(12)并且其中所述多个金属线束(14)包围所述碳纳米管线束(12)。
4.根据权利要求3所述的多线束复合电导体组件(10)，其中所述多线束复合电导体组件(10)包含一个碳纳米管线束(12)和六个金属线束(14)。
5.根据权利要求1所述的多线束复合电导体组件(10)，其中所述金属线束(14)由从由铜、银、金和铝组成的列表中选择的材料形成。
6.根据权利要求5所述的多线束复合电导体组件(10)，其中所述金属线束(14)由从由镍、锡、铜、银和金组成的列表中选择的材料镀覆。
7.根据权利要求5所述的多线束复合电导体组件(10)，其中所述金属线束(14)由从由镍、锡、铜、银和金组成的列表中选择的材料覆盖。
8.根据权利要求1所述的多线束复合电导体组件(10)，还包括压接到所述多线束复合电导体组件(10)的一端的电端子(20)。
9.根据权利要求1所述的多线束复合电导体组件(10)，还包括焊接到所述多线束复合电导体组件(10)的一端的电端子(20)。
10.根据权利要求1所述的多线束复合电导体组件(10)，还包括由介电聚合物材料形成的绝缘套管，所述绝缘套管包封所述金属线束(14)和所述碳纳米管线束(12)。
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