CN109036697A - 一种新型复合导线及其制作方法 - Google Patents

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兰育辉
符明君
章兰乔
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Abstract

本发明涉及一种新型复合导线以及制作方法，该复合导线由单线或若干根绞线构成的线芯，线芯的表面真空涂覆有复合功能层，复合功能层包括至少一层金属导电膜层与/或至少一层半导体复合膜层；其中，金属导电膜层的材料包括金、银、铜、铝、镍、铬、钛中的至少一种，半导体复合膜层的材料包括金属氧化物、金属氮化物、石墨烯、石墨烯合金、半导体材料中的至少一种。新型复合导线的制作方法中通过真空涂覆方式在线芯表面制作膜层，采用单根或多根绞线组成的线芯经多段连续真空涂覆系统在线芯表面制成一定厚度的金属导电层或半导体复合层的制作方法取代常规用电镀金、银、镍、锡、铬、铜等导线的结构和电镀无法实现的非金属镀层。

Description

一种新型复合导线及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种新型复合导线及其制作方法。
背景技术
多年来，金属在电气领域有着广泛的应用，承担着电力输送和电力传导的任务。石墨烯的出现，有望打破现有格局，成为下一代电气领域的主流材料。由于石墨烯是二维纳米材料，单独成型困难，目前更多的研究是将石墨烯添加到金属中形成复合材料。
在电力输送和电力传导中，大量使用铜/铝线,随着高频信号的应用不断开发对导线的特性提出更多的要求, 单一的传统铜/铝导线已不法满足电器产品的应用.急需开发一种复合型的功能导线, 这种功能型导线打破了传统导线的制作工艺.需使用新的工艺和专用技术来制作适合多功能应用要求的复合导线.
单一的导线只适合普通频率的电力输送和传导, 但对于广泛使用的高频和超高频电力或电信号传输已经不适合,必须釆用在导线表面进行镀金或银层来满足高频电子信号的传输, 同时为尽可能控制高频电力或电信号在导线内部传输,又希望在导线表面施加半导体材料层, 目前电镀金/银的制造方法是解决现阶段制作常规高频导线的主要途径,存在价格和电镀对环境的污染, 同时电镀方法对材料的局限性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的第一目的是提供一种具有高频传输性能的新型复合导线。本发明的第二目的是提供该新型复合导线的制作方法。
为了实现上述发明的第一个目的，本发明采用如下第一技术方案：
一种新型复合导线，包括由单线或若干根绞线构成的线芯，所述线芯的表面真空涂覆有复合功能层，所述的复合功能层包括至少一层金属导电膜层与/或至少一层半导体复合膜层；其中，所述金属导电膜层的材料包括金、银、铜、铝、镍、铬、钛中的至少一种，所述半导体复合膜层的材料包括金属氧化物、金属氮化物、石墨烯、石墨烯合金、半导体材料中的至少一种。
上述第一技术方案中，优选的，所述单线或绞线的材料为金、银、铜、铝、铁、镍或者金属合金或含石墨烯的合金；与/或，所述线芯的横截面形状为圆型或扁线形或异型；与/或，所述的线芯为线材或带材。
上述第一技术方案中，优选的，所述的石墨烯合金包括铜基石墨烯、镍基石墨烯、铝基石墨烯、金刚石纳米基石墨烯、碳化硅和氮化硅基石墨烯中的至少一种。
上述第一技术方案中，优选的，所述复合功能层的总厚度为0.1μm至50μm；与/或，单层所述金属导电膜层的厚度为1nm至100nm；与/或，单层所述半导体复合膜层的厚度为1nm至100nm。
上述第一技术方案中，优选的，所述复合功能层的总膜层数为2至2000层。
为了实现上述发明的第二目的，本发明采用如下第二技术方案：一种新型复合导线的制作方法，该方法包括如下步骤：(1)准备线芯；(2)采用真空涂覆方式在所述线芯表面制作复合功能层。
上述第二技术方案中，优选的，在所述的步骤（2）中，当构成所述复合功能层的膜层大于等于2层时，采用真空涂覆方式将构成各膜层的材料逐层涂覆在线芯表面以制作所述的复合功能层。
上述第二技术方案中，优选的，步骤（2）中，所述的真空涂覆方式包括线带材连续真空镀膜涂覆。更进一步优选，所述的线带材连续真空镀膜涂覆包括：在真空条件下，连续移动所述的线芯，并采用溅射镀膜方式或离子束镀膜方式或化学气相沉积镀膜方式，将构成所述复合功能层的膜材料逐层沉积在连续移动的线芯表面。
上述第二技术方案中，优选的，当待制作复合导线的复合功能层中含有由石墨烯与/或石墨烯合金构成的半导体复合膜层时，由石墨烯与/或石墨烯合金构成的半导体复合膜层采用如下方式制作：首先将构成所述半导体复合膜的石墨烯与/或石墨烯合金材料粉末混在由水与乙醇混合而成的溶剂内并真空烘干溶剂以制作石墨烯与/或石墨烯合金涂覆浆料；而后在真空条件下，将所述的石墨烯与/或石墨烯合金涂覆浆料均匀涂覆在所述线芯的表面，即制成由石墨烯与/或石墨烯合金构成的半导体复合膜层。
本发明与现有技术相比获得如下有益效果：通过在线芯表面进行真空涂覆复合功能层，复合功能层可以由多层膜层结构组成,其中在膜层中含有半导体纳米膜层或金属膜层。这种新型复合导线适合可在常规频率和高频区域内对电力和信号源的传输,可制成风力发电电机、电力传输专用电缆、高频电机、高频信号传输导线及高频屏蔽用导线；复合功能层中使用金属氧化物膜层、氮化物膜层组成的复合导线具备陶瓷绝缘层特性, 可替代常规漆包线表面浸漆工艺并达到一定的耐压等级；采用单根或多根绞线组成的线芯经多段连续真空涂覆系统在线芯表面制成一定厚度的金属导电层或半导体复合层的制作方法取代常规用电镀金、银、镍、锡、铬、铜等导线的结构和电镀无法实现的非金属镀层。
附图说明
附图1为本发明实施例一的复合导线的横截面示意图；锂电池负压化成设备的结构原理示意图；
附图2为本发明实施例二的复合导线的横截面示意图；
附图3为本发明实施例三的复合导线的横截面示意图；
附图4为本发明实施例四的复合导线的横截面示意图；
附图5为包含两个真空镀膜区的真空成膜设备；
附图6为包含一个真空涂覆区和一个真空镀膜区的真空成膜设备。
具体实施方式
为详细说明发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。
实施例一: 金属铝/铜/银/铜/镍结构复合导线及其制作工艺
如图1所示，该图示出金属铝/铜/银/铜/镍结构复合导线10的横截面示意图，该复合导线10的中部线芯11由直径为0.8mm单根铝线构成，线芯11的表面依次真空涂覆有由银/铜复合镀膜层12和镍保护膜层13构成的复合功能层；其中，银/铜复合镀膜层12为银膜层和铜膜层交替叠加而成，银膜层和铜膜层各设计20层，每层银膜层和铜膜层的厚度设计为20nm，镍保护膜层13的厚度设计为0.25μm。
下面阐述一下该金属铝/铜/银/铜/镍结构复合导线10的制作过程：
第一步：将制备好的0.8mm单根铝线作制成连续卷材,并放置到附图5中的放卷真空室51内并按工艺要求在附图5中利用放卷机构52或放卷机构522’完成引线和放卷准备，并分别启动四组独立的放卷室抽真空系统54、镀膜区抽真空系统57、镀膜区抽真空系统514和收卷区抽真空系统524, 使整个腔体真空度达到1.3×10-3Pa。
第二步：铝线材53经导向进入线材真空离子清洗装置55,完成表面预处理后进入到真空镀膜系统56中进行多次循环镀膜,完成后进入㣪冲区511调整方向后再次进入真空镀膜系统513中进行复合材料镀膜并依椐工艺要求进行多次循环镀膜,完成整个工艺流程后制得的复合导线518进入到真空导线在线退火和检测区519经检测分析仪520测量后复合导线进入收卷真空室521内，经收卷机构522或收卷机构522’收卷制成复合导线成品523。其中，真空镀膜系统56和513还可以设置更多组，以实现更多复合层的镀膜,并通过更换和组合不同的镀膜材料和方式可实现多层复合材料镀膜。
其中，在上述真空镀膜系统56中，将溅射工艺用氩气经镀膜用供气系统59和镀膜用供气系统516使氩气进入真空镀膜系统56内的镀膜真空室中，使工艺要求真空度达到3×10-1Pa，将靶材510设定为银、铜组合靶，调节镀膜用电源系统58，以使得磁控溅射电流分别控制在10A和8A条件下,将银/铜分层交替沉积于0.8mm的铝线材53的表面，重复20次镀银/镀铜膜工艺.以确保获得成分均匀的合金镀膜层，每层镀膜厚度控制在20nm左右。
在上述真空镀膜系统513中，将已镀银/铜合金的铜导线再引入真空镀膜室中，增加镀镍保护膜提升耐磨和防腐特性，将溅射工艺用氩气经镀膜用供气系统516使氩气进入真空镀膜系统513内的镀膜真空室中，要求将真空度抽至4×10-3Pa以下，充入氩气体作为溅射用气体，使溅射工作气压在3×10-1Pa，将靶材517设定为镍靶，调节镀膜用电源系统515，在磁控溅射电流20A条件下，将镍镀于银/铜复合铜线表面，厚度控制在0.25μm左右。
进一步还可将已镀银/铜/镍复合铜导线再经拉丝工艺制得不同要求的线径供终端产品用户使用, 此工艺所制作的复合导线可替代传统的电镀银线,产品具有用铜/银量少,高频电子通道多,传输速度高,耐腐耐磨特性优良.
实施例二: 铜/氧化铝/氧化锆复合导线及其制作工艺
如图2所示，铜/氧化铝/氧化锆复合导线20的横截面示意图，该复合导线20的中部线芯21由直径为0.25 mm的七根铜绞线芯构成，线芯21的表面依次真空涂覆有由多层氧化铝膜层22和氧化锆膜层23构成的复合功能层；其中，氧化铝膜层22共设计为40层，每层的厚度设计为10nm，氧化锆膜23的厚度设计为0.10μm。
下面阐述一下该铜/氧化铝/氧化锆复合导线20的制作过程：
第一步：将制备好的0.25mm七根铜绞线芯作制成连续卷材,并放置到附图5中的放卷真空室51内并按工艺要求在附图5中利用放卷机构52或放卷机构522’完成引线和放卷准备，并分别启动四组独立的放卷室抽真空系统54、镀膜区抽真空系统57、镀膜区抽真空系统514和收卷区抽真空系统524, 使整个腔体真空度达到1.3×10-3Pa。
第二步：将溅射工艺用氩气/氧气经充气系统59和516制成氩气/氧气混合气体,混合比9:1分别进入真空镀膜系统56和真空镀膜系统513使工艺要求真空度达到3×10-1Pa，将靶材510配置成全铝靶,磁控溅射电流分别控制在12A条件下,进行磁控反应性镀膜在铜线3表面制成氧化铝陶瓷膜，并重复40次氧化铝/氧化铝膜工艺，以确保获得成分均匀的镀膜层；其每层厚度控制在10nm之间；将已镀氧化铝的铜导线再引入到真空镀膜系统513中，增加镀氧化锆保护膜提升耐磨和耐压特性；要求将真空度抽至4×10-3Pa以下，充入氩气体作为溅射用气体，使溅射工作气压在3×10-1Pa，靶材517设定为氧化锆靶，磁控溅射射频功率1500w条件下将氧化锆镀于氧化铝复合铜线表面. 厚度控制0.10μm之间。
进一步可将已镀氧化铝/氧化锆复合铜导线将直接供终端产品用户使用,替代常规漆包线浸漆工艺,使用线径需由终端产品决定或可合股加捻使用.
实施例三: 铜/石墨烯/银/镍合金结构复合导线及其制作工艺
如图3所示，铜/石墨烯/银/镍合金结构复合导线30的横截面示意图，该复合导线30的中部线芯31由0.25×2.5mm的单根扁铜线构成，线芯31的表面依次真空涂覆有由石墨烯合金膜层32和银/镍复合膜层33构成的复合功能层；其中，银/镍复合膜层33为银膜层和镍膜层交替叠加而成，银膜层和镍膜层各设计20层，每层银膜层的厚度设计为10nm，每层镍膜层的厚度设计为5nm，石墨烯合金膜层32的厚度为0.20μm。
下面阐述一下该铜/石墨烯/银/镍合金结构复合导线30的制作过程：
将制备好的0.25×2.5mm单根扁铜线,经表面预处理后在其表面涂覆石墨烯层并制作成卷材作为复合扁线带材的基材，所使用的石墨烯含铜基石墨烯／银基石墨烯合金经低温真空涂覆烘干后在扁铜带线表面形成0.20μm厚的石墨烯涂覆层。
一.石墨烯合金涂覆料的准备
将银基石墨烯5份、铜基石墨烯20份、石墨烯60份，置于带超声循环的搅拌反应罐中并加入15份水和乙醇的混合溶剂, 对此混合体进行循环超声和搅拌分散均勻成一定粘度的浆料，将此浆料放置到专用浆料供给系统中,使浆料能均匀涂覆到扁线带表面，并在真空条件下烘干去除混合溶剂, 制成线带材的石墨烯合金涂覆料.
二. 铜／石墨烯／银／镍合金结构复合导线制作
将制备好的0.25mm×2.5mm单根扁铜线卷材, 并放置到附图6中的放卷真空室624内的放卷机构625上并按工艺要求在附图6的设备中完成引线和放卷准备，并分别启动四组独立的抽真空系统629、64、67和630, 使整个腔体真空度达到1.3×10-3Pa.
将准备好的石墨烯合金涂覆料加入附图6中的涂覆装置626中,同时使真空烘干区627中的温度控制在80℃~90℃.局部真空保持在8×10-1Pa，开始进行连续涂覆石墨烯合金层。
将涂覆石墨烯合金层的线材经线带材预处理区628处理后形成待进一步处理的线带材63，线带材63进入放卷真空室61内，而后经放卷真空室61内的放卷机构62或放卷机构62’送入到线材真空离子清洗装置65内进行清洗，而后再送入到真空镀膜系统66内，在真空镀膜系统66内将溅射工艺用氩气经充气系统69将氩气进入真空镀膜系统66中,在抽真空系统67的调节下使工艺要求真空度达到3×10-1Pa，将靶材610配置成银/镍组合靶,调节镀膜用电源系统68，磁控溅射电流分别控制在18A/20A条件下,进行复合镀膜在含有石墨烯合金涂覆层的扁线表面制成银/镍复合膜，并重复20次重复镀银/镍复合层工艺，以确保获得成分均匀的镀膜层，每层厚度控制在银层10nm、镍5nm，完成整个工艺流程后制得的复合导线进入到真空导线在线退火和检测区619经检测分析仪620测量后复合导线进入收卷真空室621内，经收卷机构622或收卷机构622’收卷制成复合导线成品623。
进一步可将已镀石墨烯／银／镍合金结构复合铜扁导线将直接供终端产品用户使用, 此结构产品可满足中高频大载流波的信号传输,同时具备良好的吸波特性和耐候性能。
实施例四: 铜/磷化铟半导体(InP)/镍复合导线及其制作工艺
如图4所示，铜/磷化铟半导体(InP)/镍复合导线40的横截面示意图，该复合导线40的中部线芯41由直径为0.5mm的单根铜线构成，线芯41的表面依次真空涂覆有由磷化铟半导体膜层42和镍膜层43构成的复合功能层；其中，磷化铟半导体膜层42共设计为120层，每层的厚度设计在1.5nm之间，镍膜层43厚度控制在0.25μm。
将制备好的0.5mm单根铜线作制成连续卷材,并放置到附图5中的放卷真空室51内并按工艺要求在附图5所示的设备中完成引线和收卷准备，并分别启动四组独立的放卷室抽真空系统54、镀膜区抽真空系统57、镀膜区抽真空系统514和收卷区抽真空系统524, 使整个腔体真空度达到1.3×x10-3Pa。
第一步工艺过程: 线材53经导向进入线材真空离子清洗装置55,完成表面预处理后进入到真空镀膜系统56进行多次循环镀膜,完成后进入㣪冲区511调整方向后再次进入真空镀膜系统513内进行复合材料镀膜并依椐工艺要求进行多次循环镀膜,完成整个工艺流程后制得的复合导线进入到真空导线在线检测区519经检测分析仪520测量后复合导线进入收卷机构522和522’收卷制成复合导线成品523.
镀膜工艺的确定: 将反应气体经进气系统59使PH3磷酸气体/H2氢气/TMIn三甲基铟气体按比例500sccm/160sccm/300sccm/进入真空镀膜系统56的真空室（此时真空室相较于实施例一和二，更换了真空室内部的模块，使得能够满足LPCVD真空室的要求）使工艺要求真空度达到5×10-1Pa，反应温度600℃条件下,将InP半导体膜分层交替沉积于0.5mm的圆导线53表面，并重复120次镀膜工艺，以确保获得成分均匀的InP半导体镀膜层；其每层厚度控制在1.5nm之间，总镀膜厚度180nm+/-10nm。
将已镀InP的铜导线再引入513控溅射镀镍真空区,增加镀镍保护膜提升耐磨和防腐特性，要求将真空度抽至4×10-3Pa以下，充入氩气体作为溅射用气体，使溅射工作气压在3×10-1Pa，靶材517为镍靶，磁控溅射电流20A条件下将镍镀于InP层复合铜线表面，厚度控制0.25μm之间。
进一步可将含半导体层(InP)/镍复合层的导线可单独使用,也可做绞股线制成多芯高频电缆线供终端产品用户使用, 此工艺所制作的复合导线可在需要大电流高频传输的电线电缆中使用, 能有效地通过半导体层将高频电流进行隔离使电缆线电流传输更均匀，高频电子通道多,传输速度高,耐腐耐磨特性优良。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型复合导线，包括由单线或若干根绞线构成的线芯，其特征在于：所述线芯的表面覆盖有复合功能层，所述的复合功能层包括至少一层金属导电膜层与/或至少一层半导体复合膜层；其中，所述金属导电膜层的材料包括金、银、铜、铝、镍、铬、钛中的至少一种，所述半导体复合膜层的材料包括金属氧化物、金属氮化物、石墨烯、石墨烯合金、半导体材料中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的新型复合导线，其特征在于：所述单线或绞线的材料为金、银、铜、铝、铁、镍或者金属合金或含石墨烯的合金；与/或，所述线芯的横截面形状为圆型或扁线形或异型；与/或，所述的线芯为线材或带材。
3.根据权利要求1所述的新型复合导线，其特征在于：所述的石墨烯合金包括铜基石墨烯、镍基石墨烯、铝基石墨烯、金刚石纳米基石墨烯、碳化硅和氮化硅基石墨烯中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的新型复合导线，其特征在于：所述复合功能层的总厚度为0.1μm至50μm；与/或，单层所述金属导电膜层的厚度为1nm至100nm；与/或，单层所述半导体复合膜层的厚度为1nm至100nm。
5.根据权利要求1所述的新型复合导线，其特征在于：所述复合功能层的总膜层数为2至2000层。
6.一种如上述权利要求1~5中任意一项所述的新型复合导线的制作方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)准备线芯；
(2)采用真空涂覆方式在所述线芯表面制作复合功能层。
7.根据权利要求6所述的新型复合导线的制作方法，其特征在于，在所述的步骤（2）中，当构成所述复合功能层的膜层大于等于2层时，采用真空涂覆方式将构成各膜层的材料逐层涂覆在线芯表面以制作所述的复合功能层。
8.根据权利要求6或7所述的新型复合导线的制作方法，其特征在于：在所述的步骤（2）中，所述的真空涂覆方式包括线带材连续真空镀膜涂覆。
9.根据权利要求8所述的新型复合导线的制作方法，其特征在于：所述的线带材连续真空镀膜涂覆包括：在真空条件下，连续移动所述的线芯，并采用溅射镀膜方式或离子束镀膜方式或化学气相沉积镀膜方式，将构成所述复合功能层的膜材料逐层沉积在连续移动的线芯表面。
10.根据权利要求9所述的新型复合导线的制作方法，其特征在于：当待制作复合导线的复合功能层中含有由石墨烯与/或石墨烯合金构成的半导体复合膜层时，由石墨烯与/或石墨烯合金构成的半导体复合膜层采用如下方式制作：首先将构成所述半导体复合膜的石墨烯与/或石墨烯合金材料粉末混在由水与乙醇混合而成的溶剂内并真空烘干溶剂以制作石墨烯与/或石墨烯合金涂覆浆料；而后在真空条件下，将所述的石墨烯与/或石墨烯合金涂覆浆料均匀涂覆在所述线芯的表面，即制成由石墨烯与/或石墨烯合金构成的半导体复合膜层。
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