CN110379555B - 一种具有大载流和高频特性的信号传输导线及其应用 - Google Patents

一种具有大载流和高频特性的信号传输导线及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN110379555B
CN110379555B CN201810336475.6A CN201810336475A CN110379555B CN 110379555 B CN110379555 B CN 110379555B CN 201810336475 A CN201810336475 A CN 201810336475A CN 110379555 B CN110379555 B CN 110379555B
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal
fiber
carbon nanotube
signal transmission
composite conductive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810336475.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110379555A (zh
Inventor
邹菁云
张骁骅
李清文
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Original Assignee
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS filed Critical Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority to CN201810336475.6A priority Critical patent/CN110379555B/zh
Publication of CN110379555A publication Critical patent/CN110379555A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110379555B publication Critical patent/CN110379555B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/04—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of carbon-silicon compounds, carbon or silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B11/00—Communication cables or conductors
    • H01B11/18—Coaxial cables; Analogous cables having more than one inner conductor within a common outer conductor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B11/00—Communication cables or conductors
    • H01B11/18—Coaxial cables; Analogous cables having more than one inner conductor within a common outer conductor
    • H01B11/1808—Construction of the conductors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B11/00—Communication cables or conductors
    • H01B11/18—Coaxial cables; Analogous cables having more than one inner conductor within a common outer conductor
    • H01B11/1808—Construction of the conductors
    • H01B11/1817—Co-axial cables with at least one metal deposit conductor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/17—Protection against damage caused by external factors, e.g. sheaths or armouring

Landscapes

  • Non-Insulated Conductors (AREA)

Abstract

本发明公开了一种具有大载流和高频特性的信号传输导线及其应用。所述信号传输导线包括内导体、绝缘层、外导体和保护层，所述内导体、外导体分别为高性能碳纳米管/金属复合导电纤维和高性能碳纳米管/金属复合导电薄膜。所述高性能碳纳米管/金属复合导电纤维包括碳纳米管纤维、包覆在碳纳米管纤维表面的金属镀层以及缓冲界面结构，所述缓冲界面结构包括缓冲金属，且缓冲金属从碳纳米管纤维与金属镀层的结合界面处连续地扩散入碳纳米管纤维和金属镀层中，所述金属镀层中金属晶粒取向排布，且金属晶粒的(111)晶面与碳纳米管纤维接触。本发明的信号传输导线GHz高频特性优异，具有高载流、轻量化、力学强度高等特性，可大幅降低电缆重量。

Description

一种具有大载流和高频特性的信号传输导线及其应用
技术领域
本发明涉及一种信号传输导线，特别涉及一种具有大载流和高频特性的信号传输导线及其应用，属于导线技术领域。
背景技术
同轴电缆(Coaxial)是指有两个同心导体，而导体和屏蔽层又共用同一轴心的电缆。最常见的同轴电缆由绝缘材料隔离的铜线导体组成，在里层绝缘材料的外部是另一层环形导体及其绝缘体，然后整个电缆由聚氯乙烯或特氟纶材料的护套包住。但是现有同轴电缆内外导体质量大，且需要极为厚的绝缘保护层，不符合轻量化发展趋势。
目前，已有业界研发人员以改性的纯碳纳米管纤维及薄膜取代同轴电缆中的内外导体，制备出轻量化同轴电缆(Jarosz P R,Shaukat A,Schauerman C M,et al.High-Performance,Lightweight Coaxial Cable from Carbon Nanotube Conductors[J].AcsApplied Materials&Interfaces,2012,4(2):1103-1109.)。但是碳纳米管纤维及薄膜电导率低，高频信号传输损失量较大。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有大载流和高频特性的信号传输导线及其应用，从而克服现有技术中的不足。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明实施例提供了一种具有大载流和高频特性的信号传输导线，其包括沿设定方向依次设置的内导体、绝缘层、外导体和保护层，其中，所述内导体为高性能碳纳米管/金属复合导电纤维，所述高性能碳纳米管/金属复合导电纤维包括碳纳米管纤维、包覆在碳纳米管纤维表面的金属镀层以及缓冲界面结构，所述缓冲界面结构包括缓冲金属，且所述缓冲金属至少从所述碳纳米管纤维与金属镀层的结合界面处连续地扩散入碳纳米管纤维和金属镀层中，其中，所述金属镀层中金属晶粒取向排布，且所述金属晶粒的(111)晶面与碳纳米管纤维接触，使得碳纳米管纤维与金属晶粒原子尺度上具有良好的匹配度。
在一些实施例中，所述外导体为高性能碳纳米管/金属复合导电薄膜。
进一步地，所述高性能碳纳米管/金属复合导电薄膜由所述高性能碳纳米管/金属复合导电纤维制成。
进一步地，所述缓冲金属与碳纳米管纤维及金属镀层均具有良好的浸润性。
在一些实施例中，所述缓冲界面结构包括由缓冲金属组成的缓冲层，所述缓冲层位于碳纳米管纤维与金属镀层间，并且缓冲金属自所述缓冲层与碳纳米管纤维及金属镀层的结合界面处连续地扩散入碳纳米管纤维和金属镀层中，形成稳定的缓冲界面结构。
进一步地，所述缓冲层包括均匀分布在碳纳米管纤维与金属镀层之间的复数个纳米颗粒，所述纳米颗粒由缓冲金属形成。
进一步地，所述包覆在碳纳米管纤维表面的金属镀层中的金属晶粒经自热处理后取向排布，其(111)晶面与碳纳米管纤维接触，碳纳米管纤维、金属间匹配度大幅提高。
进一步地，所述高性能碳纳米管/金属复合导电纤维的抗拉强度在830MPa以上，能够承受10000次以上的弯折，电导率在2.03×107S/m以上，电阻率温度系数在1.14×10-3K-1以下，能够在承受90％极限电流密度的情况下稳定工作超过100h。
进一步地，所述信号传输导线能够承受7GHz以上的高频信号，能够在承受90％载流容量的情况下稳定工作超过100h。
本发明实施例还提供了前述的具有大载流和高频特性的信号传输导线于制备大功率器件中的应用。
本发明实施例还提供了一种大功率器件，其包括前述的具有大载流和高频特性的信号传输导线。
较之现有技术，本发明提供的具有大载流和高频特性的信号传输导线以高电导的碳纳米管/金属复合导电纤维或薄膜取代同轴电缆的内外导体，可减少信号传输损失量，制备出具有优异高频性能的轻量化高频信号传输电缆，GHz高频特性优异，可应用于传输7GHz或以上的更高频的信号；本发明的信号传输导线还具有高载流特性，可应用于大功率器件中；同时，本发明的信号传输导线具有轻量化、力学强度高等优异性能，所需保护层更简单，可大幅降低电缆重量，应用前景广泛。
附图说明
图1是本发明一典型实施方案中一种具有大载流和高频特性的信号传输导线的结构示意图。
图2是本发明一典型实施方案中一种高性能碳纳米管/金属复合导电纤维的制备方法示意图。
图3a、图3b及图3c分别是本发明对照例1、对照例2、实施例1制备复合导电纤维的原理示意图。
图4a、图4b及图4c分别是本发明对照例1、对照例2、实施例1中原纤维、阳极氧化纤维及镀覆镍缓冲层的碳纳米管纤维的示意图。
图5a、图5b及图5c分别是图4a、图4b及图4c中纤维的镀覆铜层后的产物表面结构示意图，分别为碳纳米管-铜复合导电纤维(S1)、碳纳米管-氧-铜复合导电纤维(S2)及碳纳米管-镍-铜复合导电纤维(S3)。
图6是本发明一典型方案中的自热处理技术所采用的连续恒电流处理方法示意图。
图7a、图7b是本发明实施例1所获高性能碳纳米管/金属复合导电纤维的表面微观形貌及其实物照片示意图。
图8a-图8c分别是采用微滴包埋技术对测试本发明实施例1所获复合导电纤维界面结合强度进行测试的原理示意图和测试前后结果对照图。
图8d是采用微滴包埋技术测得的本发明对照例1、对照例2、实施例1所获复合导电纤维的界面结合强度的对比示意图。
图9a、图9b及图9c分别是本发明对照例1、对照例2、实施例1所获复合导电纤维的截面结构示意图。
图10a、图10b及图10c分别是图9a、图9b及图9c中纤维的界面结构放大示意图。
图11是本发明对照例1、对照例2、实施例1所获复合导电纤维的应力-应变关系对比示意图，纤维退火前的有效强度(σe u)及退火后的有效强度(σe a)。
图12是本发明传统纯铜纤维、对照例2、实施例1所获复合导电纤维的抗弯折能力对比示意图。
图13是本发明实施例1所获高性能碳纳米管/金属复合导电纤维弯折打结得到的结构的示意图。
图14是本发明对照例1、对照例2、实施例1所获复合导电纤维退火前后电导率的对比示意图。
图15是本发明实施例1所获高性能碳纳米管/金属复合导电纤维退火前后放置于空气中时的电导率随时间变化的示意图。
图16是纯铜纤维及本发明实施例1所获复合导电纤维电导率随温度变化的示意图。
图17是本发明对照例1、实施例1所获复合导电纤维的载流容量随镀层厚度变化的趋势示意图。
图18是本发明实施例1所获复合导电纤维及纯铜纤维在分别承受其90％及75％的极限电流密度时的实时电阻变化示意图，插图中为承受电流后两种纤维的微观结构示意图。
图19a、图19b及图19c是纯铜纤维、纯碳纳米管纤维、本发明对照例1、实施例1所获复合导电纤维的S11参数、S21参数及的信号延迟量τ随频率变化的趋势示意图。
图20a是本发明实施例2中收集速度与镀层厚度的关系图。
图20b是本发明实施例2中得到的复合导电纤维的密度与镀层厚度的关系图。
附图标记：1-高性能碳纳米管/金属复合导电纤维，2-绝缘层，3-高性能碳纳米管/金属复合导电薄膜，4-保护层。
具体实施方式
如前所述，鉴于现有技术的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要是以碳纳米管/金属复合导电纤维替换现有电缆中的内导体，以碳纳米管/金属复合导电薄膜替换现有电缆中的外导体，制备出具有优异高频性能的高频信号传输线。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系一种具有大载流和高频特性的信号传输导线，其包括沿设定方向依次设置的内导体、绝缘层、外导体和保护层，其中，所述内导体采用高性能碳纳米管/金属复合导电纤维，所述高性能碳纳米管/金属复合导电纤维包括碳纳米管纤维、包覆在碳纳米管纤维表面的金属镀层以及缓冲界面结构，所述缓冲界面结构包括缓冲金属，且所述缓冲金属至少从所述碳纳米管纤维与金属镀层的结合界面处连续地扩散入碳纳米管纤维和金属镀层中，其中，所述金属镀层中金属晶粒取向排布，且所述金属晶粒的(111)晶面与碳纳米管纤维接触，使得碳纳米管纤维与金属晶粒原子尺度上具有良好的匹配度。
在本发明的导线中，绝缘层设置于内导体和外导体之间，外导体外侧为绝缘保护层，本发明所需保护层更简单，可大幅降低电缆重量。
在一些实施例中，所述外导体采用高性能碳纳米管/金属复合导电薄膜。
进一步地，所述高性能碳纳米管/金属复合导电薄膜由所述高性能碳纳米管/金属复合导电纤维制成的膜状材料。
进一步地，所述缓冲金属与碳纳米管纤维及金属镀层均具有良好的浸润性。
在一些实施例中，所述缓冲金属与碳纳米管纤维及金属镀层均具有良好的浸润性，可从所述碳纳米管纤维与金属镀层的界面处连续地扩散入碳纳米管纤维和金属镀层中。
进一步地，所述缓冲层包括均匀分布在碳纳米管纤维与金属镀层之间的复数个纳米颗粒，所述纳米颗粒由缓冲金属组成。
进一步地，所述纳米颗粒的粒径为40～100nm。
进一步地，其中复数个纳米颗粒均匀离散地分布在碳纳米管纤维表面。
进一步地，所述缓冲层的厚度为0.1～2μm。
进一步地，所述金属镀层是连续致密的，且厚度为1～10μm。
进一步地，所述碳纳米管纤维的直径为5～100μm。
进一步地，所述缓冲金属与碳纳米管纤维、金属镀层均有良好的浸润性。
进一步地，所述缓冲金属可以是镍，除了镍，还可以引入其他与金属镀层和碳纳米管纤维均具有良好亲和性的金属对界面结构进行调控优化，如铂、钯等，但不限于此。
进一步地，所述金属镀层可以是铜，除此之外，还可以镀覆除铜之外的导电金属，如银、金等，但不限于此。
进一步地，所述包覆在碳纳米管纤维表面的金属镀层中的金属晶粒经自热处理后取向排布，其(111)晶面与碳纳米管纤维接触，碳纳米管纤维、金属间匹配度大幅提高。
其中，所述高性能碳纳米管/金属复合导电纤维的制备方法包括：
采用连续电镀的方式，在碳纳米管纤维上镀覆缓冲层，
在缓冲层上镀覆金属镀层，通过改变收集速度控制镀层厚度，所述收集速度为5～35r/min；
对所获的金属镀层-缓冲层-碳纳米管纤维复合结构进行退火处理，从而使组成所述缓冲层的缓冲金属连续地扩散入碳纳米管纤维和金属镀层中；
采用自热处理技术，对所获的复合导电纤维进行通电处理，利用电热效应产生的温度诱导金属镀层中的金属晶粒取向排布，使金属晶粒的(111)晶面与碳纳米管碳纳米管纤维接触，进而使得碳纳米管纤维与金属晶粒在原子尺度上具有良好的匹配度。
进一步地，所述缓冲金属与碳纳米管纤维及金属镀层均具有良好的浸润性。
在一些实施例中，所述缓冲层包括均匀分布在碳纳米管纤维与金属镀层之间的复数个纳米颗粒，所述纳米颗粒由缓冲金属形成。
进一步地，所述纳米颗粒的粒径为40～100nm。
进一步地，其中复数个纳米颗粒离散分布在碳纳米管纤维表面。
进一步地，所述缓冲层的厚度为0.1～2μm。
进一步地，所述金属镀层是连续致密的，且厚度为1～10μm。
进一步地，所述碳纳米管纤维的直径为5～500μm。
进一步地，所述缓冲金属与碳纳米管纤维、金属镀层均有良好的浸润性。
进一步地，所述缓冲金属的材质包括镍，除了镍，还可以引入其他与金属镀层和碳纳米管纤维均具有良好亲和性的金属对界面结构进行调控优化，如铂、钯等，但不限于此。
进一步地，所述金属镀层的材质包括铜，除此之外，还可以镀覆除铜之外的导电金属，如银、金等，但不限于此。
进一步地，所述自热处理技术包括连续恒电流处理或恒电压处理，处理电流或电压由复合导电纤维直径决定，且在所述自热处理技术中碳纳米管纤维中的电流密度达到其极限载流容量的70～80％，所述自热处理技术的连续处理时间为5～10min。
进一步地，所述连续恒电流处理采用的处理电流大小为400～600mA，处理时间为5～10min。
在一些实施例中，所述退火处理的温度为200～350℃，时间为10min～1h。
进一步地，所述高性能碳纳米管/金属复合导电纤维其力学及电学性能由碳纳米管纤维直径、缓冲层厚度、金属镀层厚度及电镀、退火处理、自热处理工艺决定。其抗拉强度在830Mpa以上，能够承受10000次以上的弯折，电导率在2.03×107S/m以上，电阻率温度系数在1.14×10-3K-1以下，能够在承受90％极限电流密度的情况下稳定工作超过100h。
本发明通过在碳纳米管纤维/金属镀层界面处引入纳米级缓冲层及金属镀层中晶粒的取向排布，形成具有较高界面结合力、热稳定的、低势垒的碳纳米管-缓冲金属-金属界面结构，获得的碳纳米管/金属复合导电纤维具有优异的力电综合性能，例如：1)复合导电纤维的有效强度大幅提升，2)其弯折次数可达万次以上而不破坏其性能，具有高柔韧性，3)高温退火不会破坏此界面结构，退火处理后复合导电纤维的抗氧化能力、电导率及有效强度均大幅度提高，4)稳定的碳纳米管-缓冲金属-金属界面结构提升了复合导电纤维的载流容量，5)此复合导电纤维还具有优异的GHz级高频性能，其在传输7GHz以上的高频信号时，可减少信号反射量，提高传输效率，降低信号延迟。
进一步地，所述信号传输导线能够承受7GHz以上的高频信号，能够在承受90％载流容量的情况下稳定工作超过100h。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的具有大载流和高频特性的信号传输导线于制备大功率器件中的应用。
例如，本发明实施例还提供了一种大功率器件，其包括前述的具有大载流和高频特性的信号传输导线。
本发明通过以高电导的碳纳米管/金属复合导电纤维或薄膜取代同轴电缆的内外导体，可减少信号传输损失量，制备出具有优异高频性能的轻量化高频信号传输电缆，GHz高频特性优异，可应用于传输7GHz或以上的更高频的信号；本发明的信号传输导线还具有高载流特性，可应用于大功率器件中；同时，本发明的信号传输导线具有轻量化、力学强度高等优异性能，所需保护层更简单，可大幅降低电缆重量，应用前景广泛。
下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1所示，本实施例中的一种具有大载流和高频特性的信号传输导线，其包括沿设定方向依次设置的作为内导体的高性能碳纳米管/金属复合导电纤维1、绝缘层2、作为外导体的高性能碳纳米管/金属复合导电薄膜3和保护层4。
参见图2及图3c，本实施例中制备高性能碳纳米管/金属复合导电纤维的方法包括：
(1)在电镀铜层前引入一个快速的镀镍步骤，在碳纳米管纤维表面镀覆均匀的纳米级镍缓冲层，其中镀镍参数为：10V恒压，电流约为2mA，时间为30s，镀液含120g/L氯化镍(NiCl2)及200ml/L盐酸(HCl)，所得镍缓冲层的厚度为0.5μm。快速镀镍可在碳纳米管纤维表面上引入大量均匀分散的纳米镍颗粒，参见图4c所示，这些镍颗粒会改善后续的镀铜过程。
(2)之后在所述镍缓冲层表面镀铜，其中，镀铜参数为：5V脉冲电压，电流约为1.2mA，镀液含160g/L五水合硫酸铜(CuSO4·5H2O)，12ml/L硫酸(H2SO4，浓度98％)，及1ml/L辛基苯基聚(乙二醇)，聚合度10，收集卷轴直径8mm，速度恒定为25r/min，所得的碳-镍-铜复合导电纤维中的铜层的厚度为2μm，沉积出的铜晶粒尺寸较大，约为57.5nm，经200℃及1h退火处理后，形成的铜层致密光滑，密度达到8.5g/cm3，参见图5c所示。而后再进行自热处理，处理过程如图6所示，处理电流为500mA，处理时间为10min，镀层中铜晶粒进一步取向长大，形成图7a中棱角分明的微观形貌。本实施例得到的碳-镍-铜复合导电纤维被标记为S3。
对照例1
参见图3a，采用现有方法在碳纳米管纤维(参见图4a所示)表面直接镀铜，得到的碳-铜复合导电纤维被标记为S1，参见5a所示。并以S1作为内导体，以CNT-Cu复合导电薄膜作为外导体，制备信号传输导线。
对照例2
参见图3b，采用现有方法在碳纳米管纤维表面镀铜前引入阳极氧化处理得到功能化碳纳米管纤维，参见图4b，而后再进行电镀铜可得到碳-氧-铜复合导电纤维，被标记为S2，参见5b所示。并以S2作为内导体，以碳-氧-铜复合导电薄膜作为外导体，制备信号传输导线。
对照例3
参见图2及图3c，维持实施例1中冲击镍、电镀及后处理工艺不变，仅去除自热处理，得到的碳-镍-铜复合导电纤维仍致密光滑，被标记为S4。
以下将对本发明实施例1、对照例1、对照例2及对照例3中所述的复合导电纤维的结构进行表征并对性能进行测试。
一、镀镍/镀铜示意图及其产物
本发明实施例1所获得的高性能碳纳米管/金属复合导电纤维S3中沉积出的铜晶粒尺寸较大，约为87.9nm，而对照例3中未有自热处理的纤维S4仅有57.5nm，接近于对照例2中阳极氧化得到的纤维S2中的晶粒尺寸59.4nm，远大于对照例1中碳纳米管纤维直接镀铜得到的纤维S1中的晶粒尺寸29.0nm。本发明实施例与对照例1中形成的铜层极为致密，密度达到8.5g/cm3，高于对照例2中阳极氧化处理后得到的7.94g/cm3及对照例1中碳纳米管纤维直接镀铜的7.36g/cm3。图7a和图7b示出了本发明实施例1所获高性能碳纳米管/金属复合导电纤维的表面微观形貌及实物照片示意图。
二、界面结合强度及其热稳定性提升
以图8a中所示的微滴包埋技术分别测试对照例1、对照例2、实施例1所获复合导电纤维中铜层及碳纳米管纤维间的界面结合强度(IFBS)，以500微米微球包覆的界面为准。测试结果表明：如图8b所示，对照例1中碳纳米管纤维直接镀铜得到的复合导电纤维S1中铜层及碳纳米管纤维间的IFBS仅有2.9MPa，退火处理后降至2.0MPa；而对照例2引入阳极氧化处理后得到的复合导电纤维S2中的铜层及碳纳米管纤维间的IFBS提高至3.5MPa，但退火处理后，此界面结构被破坏，IFBS降至1.9MPa；实施例1引入镍缓冲层后所获得的高性能碳纳米管/金属复合导电纤维S3中的铜层与碳纳米管纤维间的IFBS提升至3.59MPa，且退火处理不会破坏此界面，退火后IFBS仍维持在3.59MPa。
而从三种纤维的界面结构示意图图9a至图10c来看，退火处理后S1纤维界面处存在一些孔洞，而S2纤维界面处则出现裂缝，S3纤维界面处铜碳结合则极为稳定，且能谱仪(EDS)元素分析显示镍原子渗入碳纳米管纤维及铜层中，与上述IFBS测试结果一致。
三、有效强度(铜层断裂时的强度)
图11展示了本发明对照例1、对照例2、实施例1所获复合导电纤维的应力-应变关系对比示意图。本发明实施例1在引入镍缓冲层后，所获S3导电纤维的有效强度提高至590MPa，且退火处理后，其进一步提高至830MPa；对比例1原纤维直接镀铜得到的S1纤维的有效强度仅为418MPa，退火后更降至356MPa；对比例2引入阳极氧化处理后，S2纤维的有效强度提高至484MPa，但退火后碳纳米管-氧-铜界面被破坏，纤维有效强度降至380MPa。这一系列对比说明本发明实施例1获得的碳纳米管/铜复合导电纤维的力学性能被大幅提高。
四、抗弯折能力
参见图12所示，实施例1引入镍缓冲层的S3纤维可承受10000次以上的弯折而无损其性能；对照例2中S2纤维在弯折约4000次后，其电导率即开始下降；而纯铜金属纤维在弯折时其电阻会不断提升，弯折约2200次后，铜丝即因为加工硬化而断裂。同时，实施例1所获S1纤维具有极佳的柔韧性，可弯折打结，如图13所示。
五、电导率、电阻率温度系数(TCR)及抗氧化能力
参见图14所示，实施例1引入镍缓冲层后，得到的S3纤维中铜晶粒尺寸较大，形成的铜层致密光滑，使得S3纤维电导率提升至2.03×107S/m，优于其他三种复合导电纤维。参见图15所示，实施例1所获S3纤维退火处理后其抗氧化能力大幅提高。参见图16所示，实施例1所获S3纤维的TCR降至1.14×10-3K-1，优于纯铜导线。
六、载流容量及大载流稳定性
参见图17，本发明实施例1引入镍缓冲层后，当铜层厚度超过约2μm后，S3纤维的载流容量即高于S2纤维，且高于纯铜金属丝。此外，实施例1所获S3纤维的大载流稳定性极好，可在承受90％载流容量的情况下稳定工作超过100h，而无任何性能损失(图18)。而纯铜导线在承受75％载流容量的情况下工作约10h即被烧毁。
七、GHz高频特性
在承受7GHz以上的高频信号时，本发明实施例1所获S3纤维的S11参数低于纯碳纳米管纤维、纯铜丝、S1复合导电纤维(参见图19a)，即信号反射量低；其S21参数高于纯碳纳米管纤维、纯铜丝、S1导电纤维(参见图19b)，即信号馈入量大；另一方面，实施例1所获S3纤维传输高频信号时，传输过去的信号延时(τ)低且稳定(参见图19c)。
实施例2
改变实施例1中卷轴收集速率，电镀配方及其他电镀参数维持不变，可制备出具有不同厚度的镀层的复合导电纤维。收集速度与镀层厚度的关系参见图20a所示，且随着镀层厚度的变化，得到的复合导电纤维的密度液随之变化，具体关系参见图20b所示。
实施例3
改变实施例1中镀镍电压，电镀配方及其他电镀参数维持不变。将镀镍电压增加至10V后，可增加镍沉积量，增大纳米镍颗粒尺寸。
实施例4
将实施例1中电镀铜工艺替换为电镀银，维持电镀镍工艺不变。镀银液配方为：30g/L氯化银(AgCl)，60g/L氰化钾(KCN)，15g/L碳酸钾(K2CO3)。10V脉冲电压电镀，电流约为1.5mA，银镀层厚度约为2μm，最终得到碳纳米管-镍-银复合导电纤维。本实施例中退火处理的温度为250℃，时间为30min，自热处理采用连续恒电流处理法，处理电流大小为400mA，处理时间为10min。本实施例形成的缓冲层的厚度为0.1μm，纳米颗粒的粒径为40nm，金属镀层的厚度为1μm。
实施例5
将实施例1中电镀铜工艺替换为电镀金，维持电镀镍工艺不变。本实施例中退火处理的温度为350℃，时间为10min，自热处理采用连续恒电流处理法，处理电流大小为600mA，处理时间为5min。本实施例形成的缓冲层的厚度为0.5μm，纳米颗粒的粒径为50nm，金属镀层的厚度为2μm。
实施例6
将实施例1中缓冲层电镀镍工艺替换为电镀铂，金属镀层维持电镀铜工艺不变，其中退火处理的温度为280℃，时间为40min，自热处理采用连续恒电流处理法，处理电流大小为500mA，处理时间为8min。本实施例形成的缓冲层的厚度为1μm，纳米颗粒的粒径为80nm，金属镀层的厚度为5μm。
实施例7
将实施例1中缓冲层电镀镍工艺替换为电镀钯，金属镀层维持电镀铜工艺不变。本实施例中退火处理的温度为300℃，时间为20min，自热处理采用连续恒电流处理法，处理电流大小为550mA，处理时间为6min。本实施例形成的缓冲层的厚度为2μm，纳米颗粒的粒径为100nm，金属镀层的厚度为10μm。
经测试，由实施例2-7所获碳纳米管金属复合导电纤维及信号传输导线的性能与实施例1基本一致。
本发明实施例通过在碳纳米管/铜界面间引入与两者均具有良好浸润性的纳米级镍缓冲层，缓冲层向两个界面的扩散，形成碳纳米管/铜界面结合力良好的碳纳米管-镍-铜界面结构，并利用自热处理技术诱导镀层中铜晶粒的取向排布，使金属(111)晶面与碳纳米管接触，进一步匹配碳纳米管与金属的晶格，增强碳纳米管、金属界面处的载荷、电子及声子的传输效率，从而提供一种提高碳纳米管纤维/金属镀层界面结合力、制备具有优异力电热综合性能的复合导电纤维的方法。所获复合导电纤维的界面结合力强，热稳定性高，势垒低，有效强度高，抗弯折能力强，电导率高，电阻率温度系数低，抗氧化能力强，载流容量大，载流稳定性好，且具有GHz高频特性。
综上所述，本发明实施例通过以高电导的碳纳米管/金属复合导电纤维或薄膜取代同轴电缆的内外导体，可减少信号传输损失量，制备出具有优异高频性能的轻量化高频信号传输电缆，GHz高频特性优异，可应用于传输7GHz或以上的更高频的信号；本发明的信号传输导线还具有高载流特性，可应用于大功率器件中；同时，本发明的信号传输导线具有轻量化、力学强度高等优异性能，所需保护层更简单，可大幅降低电缆重量。
此外，本案发明人还参照实施例1-7的方式，以本说明书中列出的其它原料和条件等进行了试验，并同样成功制得了界面结合力强、热稳定性高、势垒低、有效强度高、抗弯折能力强、电导率高、电阻率温度系数低、抗氧化能力强、载流容量大、载流稳定性好、碳纳米管纤维与金属晶粒具有良好的匹配度且具有优异GHz级高频特性的高性能碳纳米管/金属复合导电纤维，以及，同样成功制得了具有优异高频性能的轻量化高频信号传输电缆。
需要说明的是，在本文中，在一般情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的步骤、过程、方法或者实验设备中还存在另外的相同要素。
应当理解，以上较佳实施例仅用于说明本发明的内容，除此之外，本发明还有其他实施方式，但凡本领域技术人员因本发明所涉及之技术启示，而采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种具有大载流和高频特性的信号传输导线，其包括沿设定方向依次设置的内导体、绝缘层、外导体和保护层，其特征在于：所述内导体为高性能碳纳米管/金属复合导电纤维，所述高性能碳纳米管/金属复合导电纤维包括碳纳米管纤维、包覆在碳纳米管纤维表面的金属镀层以及缓冲界面结构，所述缓冲界面结构包括由缓冲金属组成的缓冲层，所述缓冲层位于碳纳米管纤维与金属镀层间，所述缓冲层包括均匀分布在碳纳米管纤维与金属镀层之间的复数个纳米颗粒，所述纳米颗粒由缓冲金属形成，并且缓冲金属自所述缓冲层与碳纳米管纤维及金属镀层的结合界面处连续地扩散入碳纳米管纤维和金属镀层中，所述缓冲金属选自镍、铂或钯，其中，所述金属镀层中金属晶粒取向排布，且所述金属晶粒的(111)晶面与碳纳米管纤维接触；
所述高性能碳纳米管/金属复合导电纤维的抗拉强度在830MPa以上，能够承受10000次以上的弯折，电导率在2.03 × 107 S/m以上，电阻率温度系数在1.14 × 10-3 K-1以下，能够在承受90%极限电流密度的情况下稳定工作超过100 h，所述信号传输导线能够承受7GHz以上的高频信号，能够在承受90%载流容量的情况下稳定工作超过100 h。
2.根据权利要求1所述的具有大载流和高频特性的信号传输导线，其特征在于：所述外导体为高性能碳纳米管/金属复合导电薄膜。
3.根据权利要求2所述的具有大载流和高频特性的信号传输导线，其特征在于：所述高性能碳纳米管/金属复合导电薄膜由所述高性能碳纳米管/金属复合导电纤维制成。
4.根据权利要求1所述的具有大载流和高频特性的信号传输导线，其特征在于：所述缓冲金属与碳纳米管纤维及金属镀层均具有良好的浸润性。
5.根据权利要求1所述的具有大载流和高频特性的信号传输导线，其特征在于：所述纳米颗粒的粒径为40~100 nm。
6.根据权利要求5所述的具有大载流和高频特性的信号传输导线，其特征在于：其中复数个纳米颗粒均匀离散地分布在碳纳米管纤维表面。
7.根据权利要求1所述的具有大载流和高频特性的信号传输导线，其特征在于：所述缓冲层的厚度为0.1~2 μm。
8.根据权利要求1所述的具有大载流和高频特性的信号传输导线，其特征在于：所述金属镀层是连续致密的，且厚度为1~10 μm。
9.根据权利要求1所述的具有大载流和高频特性的信号传输导线，其特征在于：所述碳纳米管纤维的直径为5~100 μm。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的具有大载流和高频特性的信号传输导线，其特征在于：所述金属镀层包括铜、银或金。
11.权利要求1-10中任一项所述的具有大载流和高频特性的信号传输导线于制备大功率器件中的应用。
12.一种大功率器件，其特征在于包括权利要求1-10中任一项所述的具有大载流和高频特性的信号传输导线。
CN201810336475.6A 2018-04-13 2018-04-13 一种具有大载流和高频特性的信号传输导线及其应用 Active CN110379555B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810336475.6A CN110379555B (zh) 2018-04-13 2018-04-13 一种具有大载流和高频特性的信号传输导线及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810336475.6A CN110379555B (zh) 2018-04-13 2018-04-13 一种具有大载流和高频特性的信号传输导线及其应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110379555A CN110379555A (zh) 2019-10-25
CN110379555B true CN110379555B (zh) 2020-11-27

Family

ID=68243018

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810336475.6A Active CN110379555B (zh) 2018-04-13 2018-04-13 一种具有大载流和高频特性的信号传输导线及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110379555B (zh)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101701927A (zh) * 2009-10-14 2010-05-05 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 碳纳米管阵列有机污染物传感器及用途
CN102358615A (zh) * 2011-11-07 2012-02-22 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 多功能集成的纳米线阵列制备方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101747650B (zh) * 2009-12-17 2012-01-04 比亚迪股份有限公司 塑料组合物及其应用以及塑料表面选择性金属化的方法
CN101976594A (zh) * 2010-08-31 2011-02-16 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 一种碳纳米管纤维的复合导线应用及其制备方法
CN102226276A (zh) * 2011-06-13 2011-10-26 重庆大学 一种碳纤维表面镍-铜-磷三元合金镀的方法
US20140057127A1 (en) * 2012-08-22 2014-02-27 Infineon Technologies Ag Method for processing at least one carbon fiber, method for fabricating a carbon copper composite, and carbon copper composite
CN103144356A (zh) * 2013-03-12 2013-06-12 南京航空航天大学 一种高导电复合碳纤维及其制备方法
CN104517667A (zh) * 2013-10-08 2015-04-15 国家电网公司 一种能实时测温的铝基碳纤维复合材料芯导线
CN104862512B (zh) * 2015-04-21 2018-03-06 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 提高铜基石墨烯复合材料中石墨烯与铜基体结合力的方法
CN105348768A (zh) * 2015-12-11 2016-02-24 中国科学院山西煤炭化学研究所 碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制造方法及装置
CN107502772B (zh) * 2017-07-17 2019-06-07 无锡吉仓纳米材料科技有限公司 一种铸造石墨烯/铝合金复合材料的制备方法及铸造石墨烯/铝合金复合材料

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101701927A (zh) * 2009-10-14 2010-05-05 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 碳纳米管阵列有机污染物传感器及用途
CN102358615A (zh) * 2011-11-07 2012-02-22 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 多功能集成的纳米线阵列制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110379555A (zh) 2019-10-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2451635B1 (en) Hybrid conductors and method of making same
Jarosz et al. Carbon nanotube wires and cables: near-term applications and future perspectives
US9570208B2 (en) Carbon nanotube composite wire
US8604340B2 (en) Coaxial cable
US10115492B2 (en) Electrically conductive carbon nanotube wire having a metallic coating and methods of forming same
CN201788728U (zh) 一种绝缘电线电缆
US20090196982A1 (en) Method for making coaxial cable
KR101646573B1 (ko) 알루미늄-그래핀 복합재, 및 이의 제조 방법
JP2012216526A (ja) 金属被覆炭素繊維電線
Fang et al. Wrinkle-stabilized metal-graphene hybrid fibers with zero temperature coefficient of resistance
KR101189858B1 (ko) 케이블 및 그 제조방법
CN110373894A (zh) 高性能碳纳米管/金属复合导电纤维及其制备方法
CN110379555B (zh) 一种具有大载流和高频特性的信号传输导线及其应用
CN114150354A (zh) 一种高强度高导电碳纳米管复合薄膜及其制备方法
CN208722613U (zh) 一种碳纤维铝合金铜箔丝
RU178132U1 (ru) Внешний проводник для электрических кабелей связи коаксиального типа
CN115116673A (zh) 一种铜/碳纳米管复合线材的制备方法
CN111041542B (zh) 具有复合电镀纳米碳金属膜的复合金属丝及其制备方法
CN211858179U (zh) 一种轻量化大截面导体
CN113481630A (zh) 导电玻璃纤维及其制备方法
JP5239304B2 (ja) 同軸ケーブル及びその製造方法
RU2660769C1 (ru) Металлизированная бумага из углеродных нанотрубок
CN214123518U (zh) 一种不易断裂的镀铜钢绞线
CN111063487A (zh) 电缆及其制备方法
CN201117322Y (zh) 一种由紧凑型绞线构成的节能型增容导线

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant