CN111081411A - 碳纳米管纤维柔性电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳纳米管纤维柔性电缆，该碳纳米管纤维柔性电缆由内至外依次包括导电体、抗拉材料层、滑动层和绝缘层，该导电体由多根碳纳米管纤维或者多根碳纳米管纤维束绞合而成。本发明的碳纳米管纤维柔性电缆，导电性能好，质量轻，抗拉伸强度高，是一种高性能柔性电线。

Description

碳纳米管纤维柔性电缆
技术领域
本发明涉及电缆制造技术领域，特别涉及一种碳纳米管纤维柔性电缆。
背景技术
在我国迅速的工业化发展下，在机械航天航空、自动化、机器人以及家庭智能领域中，高性能柔性电线得到广泛的应用。
现在市场上应用较为广泛的柔性电线多以软铜线作为芯线，在其外层包覆橡胶具有柔性的绝缘层；或是在软铜线外层包覆抗拉纤维层，再包覆橡胶具有柔性的绝缘层。传统的柔性电线无法很好的兼具高导电与抗拉伸的性能以及使用寿命的问题，在高跨度以及悬空环境使用时，由于其自身重量会增大电线的拉伸力，缩短使用寿命；减小芯线直径以降低重量后，虽然会增加导线的柔性，但其抗拉强度会大大减弱，增大芯线直径不仅电线柔性降低，也会造成资源的浪费。
发明内容
本发明的目的是为解决以上问题，本发明提供一种碳纳米管纤维柔性电缆。
根据本发明，提供一种碳纳米管纤维柔性电缆，该碳纳米管纤维柔性电缆由内至外依次包括碳纳米管纤维导电体、抗拉材料层、滑动层和绝缘层，该导电体由多根碳纳米管纤维或者多根碳纳米管纤维束绞合而成。
其中，该导电体由多根碳纳米管纤维先各自绞合成碳纳米管纤维束，再由多根碳纳米管纤维束共同绞合而成，其中绞距为0.54-12.96mm。
其中，该碳纳米管纤维束由多根碳纳米管纤维绞合而成。
其中，碳纳米管纤维由碳纳米管网拉伸加捻而成。
其中，该抗拉材料层由多根凯夫拉纤维丝编织形成。
其中，该滑动层由聚四氟乙烯制成。
其中，该绝缘层由树脂材料组成，该树脂材料包括环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯以及聚氨酯改性物中一种或多种。
其中，该碳纳米管纤维的直径为0.01-0.2mm。
其中，该凯夫拉纤维的直径为0.01-0.1mm。
其中，该滑动层的厚度为0.01-0.025mm。
其中，该绝缘层的厚度为0.6mm-2mm。
本发明的碳纳米管纤维具有良好的导电性能，较高的抗拉强度和弹性模量，并且质量较轻，用其作为导电体能使电线本身具有较高的导电性能和柔美。抗拉材料由凯夫拉纤维组成，具有较强的抗拉性能，可以保证电线在使用过程中不会断裂与破坏，并且其与碳纳米管纤维结合进一步提高了电线的柔性。本发制备的导线还具有由聚四氟乙烯组成的滑动层，该滑动层以薄片的形势包裹缠绕在抗拉材料外层，其具有优良的滑动性能，增加了电线的柔性，在经过多次弯曲之后还可以消除对导电体的机械破坏。在滑动层外涂覆一层树脂类(包含但不包括环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯及其改性物)的绝缘层。绝缘层也具有一定的抗拉强度，其共同提高电线的柔性。
本发明的碳纳米管纤维柔性电缆，具有导电性能好，质量轻，抗拉伸强度高等优点，是一种高性能柔性电线。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了根据本发明实施方式的碳纳米管纤维柔性电缆的示意图；
图2-图3示出了根据本发明两种实施方式的碳纳米管纤维柔性电缆的截面图。
具体实施方式
下面将根据实施例更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然说明书中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，一种碳纳米管纤维柔性电缆，该柔性电缆由内至外依次包括导电体1、抗拉材料层2、滑动层3和绝缘层4。其中导电体1由多根碳纳米管纤维绞合而成。其中，绞距为0.54-12.96mm，具体可以为0.54mm，1碳纳米管纤维的制备方法为通过CVD方法合成碳纳米管，其中乙醇、二茂铁和噻吩的混合溶液作为碳源和催化剂。将Ar/H2的载气分别设定为1000-3000sccm和2000-5000sccm的速度。温度升高至1200-1400℃。经过生长，碳纳米管网络浮动在石英管的下游，再经过机械牵引，拉伸加捻制备出碳纳米管纤维。每根碳纳米管纤维的直径为0.01-0.2mm。具体可以为，0.01mm，0.05mm，0.1mm，0.15mm，0.2mm。
抗拉材料层2由多条抗拉性能良好的凯夫拉细纤维细丝210编织形成。每条凯夫拉纤维细丝210的直径为0.01-0.1mm，具体可以为0.01mm，0.03mm，0.05mm，0.07mm，0.1mm。凯夫拉细纤维细丝210编织的抗拉材料层2能够进一步增强光缆的抗张强度和柔性。
抗拉材料层2的外部包裹的是由聚四氟乙烯制成的滑动层3，滑动层3的厚度为0.01-0.25mm，具体可以为0.01mm，0.05mm，0.1mm，0.15mm，0.2mm，0.25mm。滑动层3可以通过以液体的形式直接喷涂在抗拉材料外层，与抗拉材料层2有效地结合，并且不削弱抗拉材料层的抗拉强度。
滑动层3的外部涂敷有一层具有柔软特性的的绝缘层4，该绝缘层4是由树脂类材料形成，该树脂类材料包括但不限于环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯以及聚氨酯改性物中的一种或多种。该绝缘层4的厚度为0.6mm-2mm，具体可以为0.6mm，1mm，1.6mm，2mm。
如图2所示，该碳纳米管纤维柔性电缆的导电体1可以是多根碳纳米管纤维绞合成束，再绞合成芯线形成。导电体1也可以是由多根碳纳米管纤维直接绞合而成，具体如图3所示。
下面将通过具体的实施例的形式，对本发明的碳纳米管纤维柔性电缆作进一步详细的解释。
实施例1一种碳纳米管纤维柔性电缆X1
该碳纳米管纤维柔性电缆的中心是由50根碳纳米管纤维绞合而成的导电体。碳纳米管纤维的绞合节距为0.54mm，每根碳纳米管纤维的直径为0.05mm，该碳纳米管纤维的制备方法为通过CVD方法合成碳纳米管，其中乙醇、二茂铁和噻吩的混合溶液作为碳源和催化剂。将Ar/H2的载气分别设定为1000sccm和2000sccm的速度。温度升高至1200℃。经过生长，碳纳米管网络浮动在石英管的下游，再经过机械牵引，拉伸加捻制备出碳纳米管纤维。导电体的外周包裹有一层抗拉材料，该层抗拉材料由直径为0.05mm的凯夫拉纤维细丝编织而成。抗拉材料的外表面包覆有一层厚度为0.25mm的滑动层，该滑动层是由聚四氟乙烯喷涂制成。滑动层的外表面涂敷有一层柔性绝缘物质。该绝缘物质形成的层厚度为0.6mm，由多种聚氨酯和聚氨酯改性物形成。
实施例2一种碳纳米管纤维柔性电缆X2
位于该碳纳米管纤维柔性电缆的中心部分是由70根碳纳米纤维分成5组，先绞合成束，再由形成的碳纳米纤维管束绞合而成的导电体。碳纳米管纤维的绞合节距为12.96mm，每根碳纳米管纤维的直径为0.2mm。该碳纳米管纤维的制备方法为通过CVD方法合成碳纳米管，其中乙醇、二茂铁和噻吩的混合溶液作为碳源和催化剂。将Ar/H2的载气分别设定为000sccm和3000sccm的速度。温度升高至1250℃。经过生长，碳纳米管网络浮动在石英管的下游，再经过机械牵引，拉伸加捻制备出碳纳米管纤维。导电体的外周包覆有一层抗拉材料。该层抗拉材料是由直径为0.01mm的凯夫拉纤维细丝编织而成。抗拉材料的外表面包覆有厚度为0.01mm的滑动层。该滑动层有聚四氟乙烯的材料喷涂制成。滑动层的外表面涂敷有一层柔性绝缘物质形成的层厚度为2mm，其由环氧树脂、聚酯树脂和聚氨酯形成。
实施例3一种碳纳米管纤维柔性电缆X3
该碳纳米管纤维柔性电缆的中心是由100根碳纳米管纤维绞合而成的导电体。碳纳米管纤维的绞合节距为12.96mm，每根碳纳米管纤维的直径为0.01mm。该碳纳米管纤维的制备方法为通过CVD方法合成碳纳米管，其中乙醇、二茂铁和噻吩的混合溶液作为碳源和催化剂。将Ar/H2的载气分别设定为1500sccm和2500sccm的速度。温度升高至1250℃。经过生长，碳纳米管网络浮动在石英管的下游，再经过机械牵引，拉伸加捻制备出碳纳米管纤维。导电体的外周包裹有一层抗拉材料，该层抗拉材料由直径为0.1mm的凯夫拉纤维丝编织而成。该层抗拉材料的外表面包覆有一层厚度为0.15mm的滑动层，该滑动层是由聚四氟乙烯制成。滑动层的外表面涂敷有一层柔性绝缘物质。该绝缘物质形成的层厚度为1.0mm，是由多种环氧树脂形成。
实验例
取一根与碳纳米管纤维柔性电缆X1规格相同，但线芯由铜丝绞合而成的电缆Y1与碳纳米管纤维柔性电缆X1-X3进行对比检测，检测到的四根电缆的导电能力、重量和抗拉强度的数据具体如下表表1所示。
表1：柔性电缆性能测试对比(温度：20℃；湿度：80％)
电缆名称 抗拉强度(MPa) 单位重量(g/cm) 直流电阻(Ω/cm)
X1 599.23 0.025 0.42
X2 449.49 0.180 0.33
X3 598.10 0.017 0.21
Y1 315.35 0.043 0.18
经分析可知，碳纳米管纤维柔性电缆X1-X3与普通铜丝线芯电缆Y1在同等温度(20℃)和湿度(80％)的测试环境下，测得的三个碳纳米管纤维柔性电缆的线密度和抗拉强度均明显优于普通铜丝线芯电缆Y1，并且，因为碳纳米管纤维为柔性纤维，而铜丝属于金属，因此，碳纳米管纤维柔性电缆X1-X3在柔软度方面也优于普通铜丝线芯电缆Y1。此外，由于本发明方法制备的碳纳米管纤维自身电导率与铜相近，仅略低于铜，因此碳纳米管纤维柔性电缆X1-X3的电阻率也与铜相近，仅略高于铜丝线芯电缆Y1。
综上可知，本发明的碳纳米管纤维柔性电缆，其轻质、柔性、高强的特性完全适用于在航空航天领域的应用，并能够起到减重、缩小应用空间和承载能力的作用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种碳纳米管纤维柔性电缆，其特征在于，所述碳纳米管纤维柔性电缆由内至外依次包括导电体、抗拉材料层、滑动层和绝缘层，所述导电体由多根碳纳米管纤维或者多根碳纳米管纤维束绞合而成，其中绞距为0.54-12.96mm。
2.如权利要求1所述的碳纳米管纤维柔性电缆，
所述碳纳米管纤维束由多根碳纳米管纤维绞合而成。
3.如权利要求1所述的碳纳米管纤维柔性电缆，其特征在于，
所述碳纳米管纤维由碳纳米管网拉伸加捻而成。
4.如权利要求1所述的碳纳米管纤维柔性电缆，其特征在于，
所述抗拉材料层由凯夫拉纤维丝编织形成。
5.如权利要求1所述的碳纳米管纤维柔性电缆，其特征在于，
所述滑动层由聚四氟乙烯制成。
6.如权利要求1所述的碳纳米管纤维柔性电缆，其特征在于，
所述绝缘层由树脂材料组成，所述树脂材料包括环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯以及聚氨酯改性物中一种或多种。
7.如权利要求1所述的碳纳米管纤维柔性电缆，其特征在于，
所述碳纳米管纤维的直径为0.01-0.2mm。
8.如权利要求3所述的碳纳米管纤维柔性电缆，其特征在于，
所述凯夫拉纤维的直径为0.01-0.1mm。
9.如权利要求1所述的碳纳米管纤维柔性电缆，其特征在于，
所述滑动层的厚度为0.01-0.025mm，所述绝缘层的厚度为0.6mm-2mm。
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