CN112469848A - 利用经镀覆碳纳米管元件的同轴线缆及其制造方法 - Google Patents

Abstract

线缆(10)包括至少一个内部导体(12)和围绕内部导体(12)的绝缘层(14)。外部导电层(16)围绕绝缘层(14)和中心导体并且包括具有相反面表面和边缘的碳纳米管衬底。将一种或多种金属作为一个或多个层施加到碳纳米管衬底的相反面表面和边缘以用于形成金属化碳纳米管衬底。金属化碳纳米管衬底被缠绕为围绕绝缘层(14)和中心导体以用于形成外部导电层(16)。本发明的实施例包括定位于外部导电层(16)上的编织层(20)。编织层20由多个碳纳米管纤丝制成的多个碳纳米管纱线元件编造而成。碳纳米管纤丝包括碳纳米管芯和作为层施加在碳纳米管芯上的金属以用于形成金属化碳纳米管纤丝和编造为形成编织层(20)的纱线。

Description

利用经镀覆碳纳米管元件的同轴线缆及其制造方法

交叉引用

本申请要求于2019年6月21日提交的美国专利申请序列号No.16/449,015(待决)的优先权，该美国专利申请要求于2018年6月28日美国临时专利申请序列号No.62/691,320(待决)以及于2019年1月7日提交的美国临时专利申请序列号No.62/789,138(待决)的优先权和申请日期的权益，通过引用将其申请和公开内容并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及线缆，并且具体地涉及具有内部导体元件以及结合有碳纳米管(CNT)元件的外层或屏蔽层的线缆。

背景技术

具有多个导体的同轴线缆和其他线缆，例如具有两个内部导体的双轴(双轴)线缆或具有四个或八个或一些其他数量的内部导体的线缆，被用于大量不同的电气系统和应用。通常，这种线缆是包括一个或多个内部导体或包括内部导体以及被绝缘层分开的一个或多个外部导电层或外部导体的电缆。可以在导体上使用额外层，例如屏蔽部、强度层和护套。尽管内部导体可以是实心或绞合线材，但是外部导电层或外部导体通常是缠绕绝缘层以及一个或多个内部导体的金属箔。可以存在多个外部导电层或外部导体。导体之间的内部绝缘层由合适的介电材料形成，该介电材料在线缆内提供物理支撑、保持内部导体和外部导电层之间的间距、并且还使两个电气部件保持电绝缘。

内部导体元件、绝缘层和外部导电层/导体均对线缆的电学特性(例如其阻抗和衰减特性)具有显著影响。外部导电层还以各种方式充当屏蔽部并确保待在线缆中传输的信号包含在线缆内部并且其他外部信号则被挡阻挡在外部。外部导电层还用作信号传输中的次级导体或接地。这种线缆通常用于高频传输线中以承载宽带信号或其他高频信号。

通常用于外部导电层或导体的一种特定材料是箔材料，其可以由镀银铜材料形成。如理解的，这种材料很重。在捆束多根线缆的应用中，对于某些应用而言，重量可能会变得有些显著。例如，在飞机应用中，许多功率和通信线缆所贡献的重量显然特别令人关注。用于外部导电层的这种箔的电/机械特性高度取决于材料的加工和退火方式。因此，该过程从开始到结束通常高度变化。此外，由于这种铜基箔通常由然后被弄平的圆形镀银铜线形成，因此箔的表面光洁度可能不均匀并且可能具有反射不连续性。这会有害地影响线缆的性能，这需要进行一致的特性阻抗控制以最小化反射回信号源的不必要信号反射。

此外，任何裸露的铜都可能存在腐蚀风险，该腐蚀风险具有侵蚀线缆中电性能的能力。更进一步地，除了显著增加线缆的重量之外，箔可以足够厚以在缠绕内部导体和任何一个或多个绝缘层时使箔更加坚硬并且更不适于形成良好的电接触。

因此，仍然需要一种改进的线缆设计，其具有由一个或多个外部导电层或导体围绕的一个或多个内部导体，该线缆设计提供一种具有比当前设计更高的性能特征的鲁棒、柔性且轻质的线缆。

发明内容

线缆包括内部导体以及围绕内部导体的外部的绝缘层。外部导电层围绕绝缘层和内部导体。外部导电层包括CNT衬底。通过连续电镀过程将一层或多层金属层施加到CNT衬底以形成在衬底的两侧上都具有镀层的经镀覆CNT衬底。在可替代实施例中，内部导体包括多个碳纳米管纱线元件，其中每个纱线元件包括多个碳纳米管纤丝。碳纳米管纤丝包括碳纳米管芯以及通过电镀过程施加到碳纳米管芯上以形成经镀覆碳纳米管纤丝的至少一个金属层。在另一可替代实施例中，编织层用于外部导电层的外部并且由包括经镀覆碳纳米管纤丝的多个碳纳米管纱线元件形成。编造碳纳米管纱线元件以形成编织层。

附图说明

图1是根据本发明的实施例形成的线缆的局部横截面透视图。

图1A是图1中的线缆的横截面图。

图2A，2B，2C是示出根据本发明另外实施例的用于线缆的内部导体元件的横截面图。

图3是根据本发明的实施例的图1A所示的视图的分解截面图。

图4和图4A是根据本发明实施例的金属化CNT衬底的横截面图。

图5是根据本发明实施例的线缆的形成的透视图，其示出了缠绕金属化CNT衬底。

图6是示出根据本发明的实施例的缠绕角度的特征的示意图。

图7是根据本发明的实施例形成的线缆的局部横截面透视图。

图8是根据本发明的实施例的金属化CNT纤丝的横截面图。

图9是具有如图8所示的金属化CNT纤丝的CNT纱线的透视侧视图。

图10是根据本发明的另一实施例形成的线缆的部分横截面透视图。

图11A-11C是根据本发明实施例的具有不同层片构造的CNT内部导体元件的透视图。

图12是根据本发明的另一实施例形成的线缆的部分横截面透视图。

图13是根据本发明的实施例的用于形成金属化CNT衬底和CNT纤丝的电镀系统的示意图。

图14是用于图13的系统中的屏蔽元件的实施例的示意图。

应该理解的是，附图不一定按比例绘制，呈现了示出本发明的基本原理的各种特征的稍微简化表示。如本文所公开的操作顺序的特定设计特征，包括例如各种所示部件的特定尺寸、方向、位置和形状，将部分地由特定预期应用和使用环境来确定。所示出的实施例的某些特征相对于其他特征已经被放大或变形以便于可视化和清楚理解。特别地，例如，为了清楚或图示，薄的特征可以被加厚。

具体实施方式

图1示出了根据一个实施例并结合了本发明特征的线缆结构或线缆10。具体地，图1的线缆结构10被示出为同轴线缆并且包括用于承载电流的至少一个内部导体12。图1示出了单个内部导体元件，但是可以使用多个内部导体元件并将该多个内部导体元件配置在一起以形成线缆的内部导体12。例如，参考图2A，2B和2C，根据本发明并利用本发明的特征的线缆结构还可以使用多个内部导体元件，例如如图2A所示的两个元件12a、12b。然后，这种内部导体被一个或多个绝缘层14以及如图2C所示并且根据本发明在本文中所述的其他各种层部件所围绕。如图2A所示的线缆结构通常被称为双轴向或双轴线缆。另一方面，图2B和2C示出了四个内部导体元件12a、12b、12c和12d，该四个内部导体元件被绝缘层14、外部导电层16以及所述的其他层所围绕。该线缆可能称为四轴线缆。如本领域普通技术人员将容易理解的，在使用本发明的特征的线缆中也可以使用更多数量的内部导体元件。因此，本发明不特别限于线缆设计中使用的不同内部导体元件12的数量。为了简单起见，将关于具有单个内部导体元件的线缆来描述和说明本发明的各种实施例，但是本发明不限于此，并且本文关于外部导体和其他元件所公开的具体构造可以与各个附图中所示的内部导体元件更多数量的内部导体元件一起使用。例如，图2C示出了类似于图1A但具有多个导体的实施例。

根据本发明的各种实施例，线缆10可以结合具有不同构造的内部导体元件或内部导体。例如，如图1所示的内部导体12可以是实心导体。或者内部导体可以是由合适导电材料制成的绞合导体，例如铜或一些其他适当导电金属。根据本发明的另一个实施例，如本文所公开的，内部导体12可以结合金属化CNT元件。例如，内部导体可包含捻合CNT金属化纱线构造，该构造包括单独纤丝，这些纤丝用金属层充分金属化以承载所需电流。内部导体元件的总直径可以在0.010-0.020英寸的范围内。如本文所述，线缆将结合外部导电层和/或屏蔽层或“屏蔽部”的各种不同组合。如所公开的这种线缆构造可以利用传统实心或绞合金属内部导体或者可以利用绞合内部导体或者利用所公开的金属化CNT技术用于所描述的内部导体。

再次参考图1A，示出了本发明的线缆的一个实施例。如上所述，内部导体12可以是实心或绞合金属导体或绞合金属化CNT导体。绝缘层14围绕内部导体12的外部以在内部导体和一个或多个外部导电层16或屏蔽层20之间提供结构和电绝缘两者，如本文所述。图1A所示的实施例没有实现如图所示的屏蔽层20。然而，如图7所示，另一实施例可以使用屏蔽层20，例如编织屏蔽部。如本文所讨论的，屏蔽层20可以是传统金属屏蔽部或者可以使用根据本发明的金属化CNT元件。如所指出的，图1、1A的实施例的构造也适用于如图2C所示的多个内部导体元件。具有经隔离内部导体的这种线缆构造是众所周知的并且绝缘层14可以是被挤出或缠绕在内部导体上的层并且可以包括任何数量的适合绝缘和/或介电材料，例如聚四氟乙烯(PTFE)或铁氟龙。可以理解，出于说明的目的，仅示出了一层14，但是绝缘层14可以包含多于一层。一个或多个绝缘层的厚度可以例如在0.002至0.010英寸的范围内。

根据本发明的一个方面，外部导电层外部导体16围绕一个或多个绝缘层14以及一个或多个内部导体元件12以形成线缆外部导体。在如图1和1A所示的本发明的一个实施例中，外部导电层16包括用一个或多个金属层金属化的碳纳米管(CNT)衬底元件。将镀层施加到包括衬底的大面和边缘两者一起的衬底的相反表面和边缘以用于大体上形成完全涂覆或金属化CNT衬底。具体地，在本发明的一个实施例中，CNT衬底具有至少一种金属，该至少一种金属被作为层施加到衬底以形成金属化CNT衬底。例如，可以使用电镀过程来制造待用作外部导电层16的金属化CNT衬底。以这种方式，形成金属化CNT衬底元件，该金属化CNT衬底元件可以被缠绕以围绕一个或多个内部导体元件12以及一个或多个绝缘层14以形成根据本发明的外部导电层16。如本文所述，金属化CNT衬底可以通过如本文所述的连续电镀过程并且被完全涂覆以形成金属化CNT衬底以用于类似于带一样缠绕其他层。如此，形成两个金属导电层，每层位于CNT衬底的每一侧上。

如图1所示，外部导电层或外部导体16通过重叠缠绕经镀覆CNT衬底形成。由于金属化过程，CNT衬底通常利用至少一个或多个金属层完全涂覆并因此提供了外部导电层16，该外部导电层16用作线缆构造内的传统外部导体。由于CNT衬底材料的重量方面，金属化CNT衬底重量轻。与线缆设计中的传统箔外部导体相比，这导致显著减轻重量。因此，利用本发明构造的线缆10极大地减小了外部导电层16的重量以及使用了这种外部导电层的整个线缆10的重量。

应当理解，各种层的所示厚度以及层与层彼此之间的相对厚度仅用于说明目的而不是限制本发明。而是，示出了层以说明这些层相对于每个层的相对定位以及层的相互作用而不是绝对尺寸。因此，在本发明的构造中可以使用各种不同厚度。

根据本发明的一个实施例，外部导电层16包括作为导电层例如顺序施加到CNT衬底的多种导电金属。如本文所述，可以通过连续电镀过程将每个导电层施加到CNT衬底，该CNT衬底针对于所施加的特定金属层。在一个特定的实施例中，首先以期望的厚度将铜层施加在CNT衬底上。然后，将银层施加在所施加铜层的外侧。为了铜层和银层的稳定性，也可以使用可选外部层，例如镍或锡。同样，可以改变层的顺序使得可以首先施加或沉积银并且然后施加铜。所讨论的实施例将铜和银作为待要镀覆在CNT衬底上的可能金属，然而，根据本发明的特征，可以使用其他金属。

如本文中关于图3和图4所讨论的，施加作为层的金属可以包括顺序地施加作为层或子层的多种金属以形成更大整体金属导电层。如此，本文使用的术语“层”不限于单层构造，而是还可以具有构成更大导电层的多个子层。

在一个实施例中，CNT衬底是非织造层压CNT衬底。在一种示例性形成中，通过化学气相沉积产生CNT纤丝并且然后将CNT纤丝喷涂到表面上以产生非织造层压CNT片材或衬底。可以以衬底的所需成品宽度形成片材/衬底，或者可以将片材/衬底形成为更大片材并且然后将其切割成待被拼接在一起的更细衬底条带。在一个实施例中，CNT衬底具有每英尺约25欧姆的接触电阻。如本文所述，金属化CNT衬底基本上形成为薄且柔性导电带结构，该导电带结构可以缠绕线缆的部件或层周围以形成类似于胶带缠绕部或箔缠绕部的外部导电层或外部导体。因此，CNT衬底还必须具有合适厚度，使得当利用一个或多个金属层进行金属化时，该衬底适合于进行缠绕以形成外部导电层16。由于金属化CNT基材通常不会类似于在这种线缆结构中可能使用的典型绝缘带或金属箔带那样进行屈曲、拉伸或弯曲，因此缠绕金属化CNT衬底要注意本文所讨论的缠绕参数。如此，不平衡的缠绕可能在金属化CNT衬底的金属边缘处导致变形，这可能导致金属化边缘破裂或断裂。如本文所述，在金属化CNT衬底的边缘处的这种不连续性可能对成品线缆的电性能具有显著影响。因此，在本发明中考虑了特定缠绕参数以确保本发明的金属化CNT衬底在本发明的线缆的构造期间不会起皱、撕裂或遭受其他破坏。

根据本发明的一个方面，在竖直平面和水平平面两者中在可接受公差内平衡缠绕张力。在本发明的一个实施例中，CNT衬底的经缠绕外部导电层以相对于线缆的纵向轴线成40度至50度范围内的角度进行缠绕。在一特定实施例中，外部导电层以45度正负2.5度(42.5-47.5度)范围内的角度进行缠绕。发明人已经发现，利用这种缠绕角度，缠绕张力在竖直平面和水平平面两者中均在可接受公差内更加平衡。现在参考图5，偏离期望45度缠绕角度可能在竖直平面和水平平面中出现张力变化。为了解决该张力变化，这种变化将具有使金属化CNT衬底的边缘变形的趋势。由于这种变形，金属化CNT衬底将折叠至自身上，从而在外部导电层16中产生大不连续性。因此，如本文所述，金属化CNT衬底被小心地施加。

再次参考图1A，根据本发明的一个实施例的线缆10的横截面图被示出并且包括内部导体元件12、围绕内部导体12的绝缘层14以及包括金属化CNT衬底的经缠绕外部导电层或导体16。屏蔽部或屏蔽层也可以实现于结构中。例如，如图7所示的实施例示出了使用编织屏蔽部20的实施例。诸如护套层18的其他层也可以用于进一步绝缘和保护同轴线缆。这种护套层18可以是合适的绝缘或介电材料，例如氟化乙烯丙烯(FEP)，并且可以被挤出到层16和/或其他层的外侧上或者进行缠绕或如本领域中已知的其他方式进行施加。外部护套的厚度可以处于0.002至0.020英寸的范围内。如本文所公开的，本发明的各种实施例除了金属化CNT衬底层16之外还可以使用编织屏蔽层并且所有层都将被外部护套层18覆盖。

参照图3和图4，横截面示出了外部导电层16的独特构造，该外部导电层16包括CNT衬底30以及作为层施加到CNT衬底30以形成金属化CNT衬底的一种或多种金属。如图3所示，金属层被施加在CNT衬底的两个相反面或侧上。因此，当金属化CNT衬底进行缠绕时，其形成外部导电层16，该外部导电层16包括至少第一金属层，然后包括CNT衬底，且然后至少第二金属层。如本文所述，如图5所示的一种期望缠绕构造将在形成层16时包括50％重叠。应当理解，出于说明简单的目的，图3中的横截面图并未指示该重叠，但是，仍应当理解，重叠将沿着线缆的长度在经缠绕外部导电层16中的某些点处产生多个重叠金属层。

图4示出了在本发明中使用并且缠绕之前的金属化CNT衬底16，其包括内部CNT衬底30以及施加至或涂覆CNT衬底的金属层。在本文所述的本发明中，两个金属层被施加到CNT衬底30。然而，本发明不限于施加到CNT衬底的金属层的数量。

在察看图4的横截面时，外部导电层16包括第一金属层31、CNT衬底30以及第二金属层33。层31、33可以是单一金属，例如铜或银，或者实际上可以由由不同金属组成的多个子层32、34形成。根据一个实施例，通过在整个CNT衬底30上施加金属作为连续层来形成金属层31、33。可以理解的是，诸如带状的CNT衬底将包括相反面表面35、37以及大体相反边缘39(见图4A)。如图4A所示，将至少一种金属作为连续层施加在CNT衬底30的相反面表面35、37和边缘39上以形成金属化CNT衬底。可以例如在电镀过程中施加金属以覆盖CNT衬底30的所有表面。可以将多种金属施加作为层，使得金属层31、33包括多个金属层或子层32、34例如，在本发明的线缆10的构造中，可以适当地施加一层或者可以适当地施加多层32、34。累积多个层32、34以形成金属层31、33的整体厚度，该金属层31、33位于面表面35、37上并在该金属层31、33间捕获CNT衬底。

在本发明的一个实施例中，内部或第一金属子层32由铜形成，并且外部或第二金属子层34由施加在铜子层32上的银形成。这些子层的顺序也可以颠倒，使得首先在子层32处施加银并且然后在子层34处施加铜。或者，如本文所述，层31、33可以是单一金属。如从图4和4A的横截面所见，CNT衬底30的两侧都被金属化，使得基本上金属化CNT衬底形成平坦金属化结构，该平坦金属化结构被利用并被缠绕在内部导体和绝缘体上以形成本发明的外部导体层16。未示出的额外层可以镀覆在导电铜和/或银金属层上。例如，镍或锡层可以用于导电层的稳定性。因此，金属层31、33可以包括多种不同金属和子层，

根据本发明的另一方面，独特金属化CNT衬底形成导电CNT结构，该导电CNT结构用于围绕内部导体、绝缘层以及外部导电层内部的任何其他层的经缠绕导电层。层16用作外部导体，而无需单独箔层。因此，导电外层16可以使用本发明的金属化CNT衬底在单个缠绕过程中形成。用于制造层16的金属化CNT衬底在产生时具有特定拉伸强度，当将外部导电层16缠绕在内导体元件和任何其他中间层周围时，必须考虑到该特定拉伸强度。此外，由于金属化CNT衬底16不提供常规箔元件的标准屈曲、拉伸或弯曲，因此金属化CNT衬底16产生不同于典型箔和箔带的独特元件并且因此必须小心地施加。此外，必须小心以防止CNT衬底的金属化边缘变形，以避免在边缘处的金属明显破裂或断裂，这可能对整个线缆的电性能产生显著影响。

本发明的实施例对于使用金属箔或箔层的典型线缆构造具有明显的优点。一方面，本发明与具有传统箔的线缆相比实现显著重量节约。这在重量敏感型应用(例如航空航天应用)中很重要。此外，与仅使用CNT材料相比，本发明在屏蔽方面提供了显著改进并且消除了与CNT层组合添加箔层的额外制造步骤。与传统的箔线缆相比，本发明的金属化CNT衬底减少了信号损失，而金属化CNT衬底的机械强度增加了线缆的机械挠曲寿命。金属化CNT衬底进一步提供了在更高温度下保护线缆的导热性。此外，由于连续的一个或多个金属层和金属边缘不仅对端部还对金属化CNT层的整个长度提供了可焊接性，因此本发明还改善了连接情况。

因此，发明人必须解决在本发明的缆线的构造中的各种独特特征。其中，标准箔层可以以83度带缠绕角进行缠绕，发明人发现这种典型带缠绕角度不适用于本发明。如此，本发明提供了一种利用本发明的金属化CNT衬底的独特构造过程，以确保经镀覆衬底在线缆构造期间不会起皱、撕裂或经受其他镀覆损坏。为此，如上所述，发明人发现相对于线缆纵向轴线处于40-50度范围内且更具体地在45度+/-2.5度范围内的缠绕角度提供了期望线缆构造，同时避免了上面关于金属化CNT衬底及其缠绕所提到的一些问题。

参照图5，金属化CNT衬底的宽度为W并以45度+/-2.5度的缠绕角度

施加，以确保经镀覆衬底的边缘在沿线缆10的长度L形成外部导电层16时不必须显著变形。更具体地，如图6所示，偏离本发明的45度缠绕角度将产生金属化CNT衬底的边缘将必须显著变形的情况以考虑到如图5所示的带张力T内的张力变化。由于这种变形，经缠绕金属化CNT衬底将折叠至自身上并且在外部导电层中产生大不连续性。

根据本发明的另一方面，考虑到金属化CNT衬底的尺寸以及内部导体芯的直径，发明人已经确定了针对于本发明中使用的缠绕角度的关系以实现缠绕角度的期望范围。具体地，方程式1示出了示例公式，该公式使用45度缠绕角度来迭代确定适当衬底宽度和厚度：

EQ.1

利用方程式1，利用衬底或带的宽度和厚度，以及待被缠绕的内部导体芯的直径，使用迭代技术来获得期望缠绕角度。如本文所述，可以实施具有不同宽度和厚度的CNT衬底以实现具有期望缠绕角度的线缆构造。例如，根据本发明的方面，如果要使用具有宽度和厚度的特定胶带，则必须将由内部导体12和绝缘层或电介质14限定的芯设计成保持45度缠绕角度。可替代地，可以已知或选择芯，并且然后设计带宽度和厚度，以保持45度缠绕角度或如本文所述的某个缠绕角度范围。根据本发明的另一个特征，可以通过选择CNT衬底的宽度然后调节金属层厚度来根据本发明微调缠绕角度以将缠绕角度细化到期望量。可替代地，可以已知CNT衬底的厚度，然后可以确定衬底的宽度以及芯直径以实现期望缠绕角度。

根据本发明的另一方面，由于用于形成外部导电层的金属化CNT衬底的独特构造，还必须解决在施加这种衬底期间的张力。根据CNT衬底，如图5所示，必须通过适当缠绕张力T解决任何薄弱点以防止破裂。例如，根据可用于本发明的CNT衬底的一个示例性实施例，形成CNT片材并且然后将其切成期望宽度的条带以拼接在一起以形成细长且连续长度衬底。如此，在CNT衬底的结构中可能存在薄弱点。通过本发明的金属化镀覆过程，可能引入其他薄弱点。为了避免在缠绕期间破裂，根据本发明必须实现适当带张力。发明人已经确定，为了控制张力以在形成层16时提供金属化CNT衬底的最佳缠绕并且使任何破裂最小化，缠绕张力或带张力可以基于金属化CNT衬底的最终拉伸强度或断裂强度来分数确定。即，缠绕或带张力与衬底的拉伸强度成比例。为了确定经镀覆基材的拉伸强度，可以使用拉伸测试仪。

根据本发明的一个实施例，可以通过下面方程2提供带张力：

EQ.2

然后，用于缠绕经镀覆衬底的任何设备将控制张力，以保持处于缠绕产品的合适范围内。此外，可以优化缠绕过程以减少缠绕过程内的任何拽力或任何张力尖峰并以其他方式控制缠绕变化。

通常，金属化CNT衬底以重叠方式缠绕以围绕层。为了在形成外部导电层16时正确覆盖线缆部件，将金属化CNT衬底进行缠绕以提供50％或更多的重叠，如图5中的重叠缠绕所示。

图7示出了本发明的可替代实施例，其中线缆10a在外部导电层16的顶部上使用编织层20作为另一导电层或屏蔽部。在一个实施例中，编织层20可以是金属化芳纶编织层，如在一些现有的线缆设计中所使用的。编织层被编造或施加在金属化CNT外部导体16上。在本发明的可替代实施例中，编织层20利用如本文所述形成和构造的金属化CNT纱线形成。如此，对于一些实施例，线缆可以包括金属化CNT外部导体16以及金属化CNT纤丝编织物。在其他实施例中，如图7所示的外部导电层16可以是传统金属箔，其中编织层20使用根据本发明的金属化CNT纤丝。具体地，形成编织层20的纱线将包括多个CNT纤丝。然后，将一个或多个金属层施加到纤丝，例如铜和银金属层。如本文所用，术语“纤丝”用于指基本的CNT纤维单元，该基本的CNT纤维单位然后被累聚在一起以形成更大的“纱线”。术语“纤丝”或“纱线”不限制本发明。将单独金属化纤丝构造成纱线，并且如图所示，利用纱线形成编织层20。通常通过平行地放置各种金属化CNT纱线而使用CNT经镀覆纱线形成编织层以形成合适带部结构21或带部，并且然后如图7所示编造这些带部以形成编织结构。编织结构的这种形成以本领域普通技术人员在形成其他编织屏蔽层时将理解的方式完成。可以理解的是，对于特定尺寸线缆，每个带部结构21可以结合适当数量的纱线以实现期望带部宽度以及最终实现用于编织层20的期望整体直径。例如，编织层20可以各自包括8-96根纱线以实现编织层的期望宽度和最终直径。金属化CNT编织层20充当线缆中的编织屏蔽层，如图7所示。

根据本发明的一个方面，如图7所示，在编织层中使用的每根纱线均包括多个单独更细CNT纤丝，这些纤丝根据本发明利用导电层进行金属化。具体地，参考图8，示出了用于本发明的线缆的部件中的经涂覆或经镀覆金属化纤丝92的横截面并且包括形成为细纤丝的CNT芯82。CNT纤丝82的直径可以为10-50微米。然后，每个纤丝82具有施加作为层的一种或多种金属，例如铜层84和/或银层86。图8的所示实施例示出了两个子层84、86，该两个子层形成金属层88，但是单一金属可以形成层88。如本文所讨论的，可以使用额外外部层，例如镍或锡外部层以用于稳定性。如此，纤丝可以用一种或多种金属金属化，如关于金属化CNT衬底所讨论的。

参照图9，示出了CNT纱线90，其包括多个细CNT纤丝92。为了如图8所示利用适当导电层88或84、86使CNT纤丝金属化的目的，单独纤丝92可以不捻合或松散捆束以在单独纤丝之中提供一些分隔。在本发明的一个实施例中，使纤丝(例如以松散捆束的形式)经过如本文所公开的适当电镀过程，以在纤丝上提供适当金属的连续施加并获得如图8所示的金属化纤丝横截面。然后，金属化CNT纤丝可被捻合或以其他方式捆束成合适纱线以用于编织层20或用于形成如本文所公开的绞合内部导体元件。

纤丝92的捆束的金属化CNT纱线90可以多种不同方式绞合和形成，例如利用通常用于绞合线材导体的绞合图案。例如，所有经涂覆CNT纤丝92可以成束并且简单地捻合在一起以形成纱线。可替代地，在形成纱线时，可以利用同心绞合图案，例如通常将单根纤丝由六根纤丝围绕并且然后由十二根纤丝围绕以形成层等等(通常称为6-6-12设计)。在一个示例中，每个随后纱线层可以以与先前绞合纱线层不同的方向捻合。可替代地，每个经绞合纱线层可以在相同的方向上捻合以形成纱线90。金属化CNT纱线90然后用作待与其他纱线90一起用于形成如图7所示的编织层20并且还用于形成如本文所述的CNT内部导体元件12的构建块。

每个纱线内的纤丝数量可以处于1-1000的范围内。根据利用纱线构造的元件，例如编织层20或内部导体元件12，不同数量的纤丝可以构成用于形成部件并适当地增加或减小占地(yard)的直径的纱线。由于在一个实施例中将每个CNT纤丝金属化，所以当捻合在一起以形成纱线时，在每个金属化CNT纤丝之间形成良好电接触。通常，用于形成被编造在一起以形成编织层20的带部的那些纱线可以比用于构建并形成内部导体12的那些纱线小。

根据本发明的一个实施例，可以将单独纱线90大致平行地放置以形成一个或多个带部21，该一个或多个带部21用于根据现有的编织方法编造如图10所示的编织层20。然而，由于在结构中利用了金属化CNT纤丝，因此这种编织层20的重量显著减小。

用于形成编织层20的带部的多根纱线可以在1-50根纱线的范围内。然后，相应地编织每个带部21以形成外部编织层20。如上所述，根据本发明的一个实施例，可以与金属化CNT衬底内部导电层16组合来构造屏蔽层20，该屏蔽层20结合了如本文所述的金属化CNT编织层20。更具体地说，参考图10，所示的线缆10b具有内部导体12、绝缘层14、外部导电层16、以及定位于这些层上的编织层20。在这种实施例中，内部导电层16和编织层20两者都结合了本文的金属化CNT技术。因此，除了金属化CNT外部导电层16之外，本发明的线缆实施例还实现了金属化CNT编织层20。

根据本发明的另一方面，根据本发明形成的金属化的CNT纱线90也可用于形成用于本文所述的一个或多个线缆实施例的内部导体元件12。即，各种金属化CNT纱线90本身可以在多层片结构内被绞合或捆束在一起作为线束以形成绞合内部导体元件12。参照图11A-11C和12，各种纱线90可以在多层片构造种捻合在一起以制成成品绞合内部导体元件12，以用于本文所述的各种线缆实施例。例如，图11A示出了两层片构造，其中两根纱线捻合在一起。可替代地，图11B示出了三层片结构，并且图11C示出了四层片结构。将会理解，所实施的纱线数量以及用于制造具有适当直径的内部导体元件12的纱线的尺寸不限于如图11A-11C的示例性附图所示的特定数量。如同CNT编织层20一样，构成图11A-11C中的纱线90的单独纤丝92是如本文所述和图8所示的金属化CNT纤丝。然后，利用多种不同已知绞合技术而将这些单独金属化CNT纤丝适当地捻合或捆束以形成纱线90。将单独纱线再次捻合或捆束在一起以形成具有适当尺寸和适当电流处理能力的绞合内部导体元件12。图7、10和12示出了线缆的绞合内部导体的示例。对于那些线缆构造中的每一个，那些内部导体12也可以是实心内部导体。为了形成绞合内部导体，可以使用具有在1-1000范围内的多个纤丝92的纱线。

图12是合适线缆10c的横截面图，该线缆可结合有如本文所公开的金属化CNT外导电层16和由金属化CNT纤丝形成的金属化CNT编织层20并且还可以结合有绞合金属化CNT内部导体12。如此，线缆10c除了金属化CNT外部导电层之外，还将结合金属化CNT纤丝内部导体元件12和编织层20两者以提供具有合适的电特性的坚固且非常轻质的线缆以代替利用金属内部导体元件、箔层和编织层的现有线缆。

根据本发明的一个实施例，本发明的金属化的CNT元件，无论金属化纤丝还是金属化衬底均是通过连续金属化过程唯一地形成，例如利用偏压电接触辊子以及用于镀覆CNT衬底的所有表面或连续金属层中所有纤丝周围的各种浸没电极的电镀过程。

图13示出了根据本发明的使用电镀过程的一种系统，其中CNT衬底或具有单独CNT纤丝的CNT纱线的芯轴50通过一个或多个合适的辊子52卷送到包含一个或多个金属阳极58所浸没至的适当电解质溶液的镀覆箱54中。将CNT衬底30或CNT纤丝92通过辊子60以特定定向引导穿过镀覆箱54并且然后通过一个或多个额外辊子64引导返回收起芯轴62。衬底在箱中在阳极之间连续运行以形成连续金属层。可以理解的是，将CNT衬底或CNT纤丝引入镀覆箱54中并且然后将收起的方式不限于图13所示的特定设置。CNT衬底的其他不同行进设置和角度可以根据箱54的尺寸以及用于电镀过程的各种阴极和阳极的放置来实现。

参照图13，当电接触元件70通过箱54时，电接触原件70与CNT衬底30/纤丝92接合。电接触元件70偏压CNT衬底/纤丝并在电镀箱54的电镀过程内形成电极或阴极元件。电接触元件可以是固定的或者也可以类似于辊子旋转。类似地，根据要镀覆在CNT衬底/纤丝上的金属，一个或多个金属阳极元件或结构58定位于CNT衬底/纤丝的相反侧附近并且被偏压为也充当电极或阳极元件。如图13所示，阳极元件58可以包括金属块结构，该金属砖结构在电解质溶液内提供金属以用于涂覆或金属化衬底/纤丝。可以是铜或银或一些其他金属层的材料的金属阳极元件58被示出为定位在CNT衬底/纤丝的相反侧上以用于镀覆表面并且大体镀覆整个CNT衬底/纤丝。阳极元件和阴极元件耦接到适当的电源79。通常，在形成经镀覆CNT衬底/纤丝时，使衬底/纤丝以期望线速度以期望电流设置运行通过镀覆箱54以在CNT元件上施加足够金属层厚度。关于本发明，期望提供必要导电性以用于利用金属化CNT衬底作为线缆的外部导电层或在内部导体元件或编织层中使用纤丝/纱线。注意不要沉积太多的金属，以免使经镀覆CNT元件太硬且太脆而难以在形成线缆时使用。可以通过适当控制系统80来控制图13的系统，该控制系统80可以与进料系统(50、62)和/或电源79适当地耦接以控制衬底或纤丝通过箱的线速度以及通过阳极元件和阴极元件传递的用于该过程的功率。

示例性CNT衬底30的厚度可以在0.0010至0.0020英寸的范围内，并且宽度可以在0.300至0.500英寸的范围内。一种合适的衬底是来自新罕布什尔州Merrimack的NanocompTechnologies的

衬底。例如，可以将厚度为0.0015英寸，宽度为0.3125英寸或0.500英寸的衬底用作本发明的CNT衬底30。根据本发明的一个示例性实施例，可以施加厚度在30-300微英寸范围内的金属层。此外，在使用多种金属的一个示例性实施例中，可以在电镀铜层上利用30-150微英寸范围内的电镀银层，其中，银层的厚度在40-150微英寸的范围内并且在一个实施例中约为40微英寸以为金属化衬底提供合适的耐腐蚀性。

示例性纤丝92的直径可以在10-50微米的范围内。一种合适的纤丝可得自德克萨斯州Houston的DexMat。所施加的金属层84、86的厚度可以为30-400微英寸。在一个实施例中，金属层82可以包括厚度在30-150微英寸范围内的铜层以及厚度在40-150微英寸范围内的银层84。

可以改变图13的电镀系统的处理参数以通过控制系统80实现最佳镀覆。在一个示例性实施例中，以0.5-1ft/min的线速度使用2-3Amps的电镀电流设置以用于镀覆铜层。类似地，对于银层，以0.5-1ft/min的线速度使用大约0.25-0.8Amps的电流设置。在一个实施例中，金属化CNT衬底的DC电阻处于每英尺0.3-1欧姆的范围内。可替代地，纤维或单个纤丝的未捻合捆束的DC电阻在每英尺1-50欧姆的范围内。然后可以将金属化衬底或金属化纤丝卷绕到合适的芯轴，例如双锥形芯轴。本领域普通技术人员将理解，所指出的电流设置和线速度可以根据电镀系统内的设置以及箱的尺寸、CNT衬底的宽度和厚度、纤丝直径等而变化。

根据本发明的方面，将金属层施加在CNT衬底的两侧或两个面表面以及边缘上。优选地，该层是具有均匀厚度的连续层，其将在线缆构造中提供适当缠绕以及重叠缠绕层的均匀接触。为此，当形成金属化CNT衬底时，本发明防止了金属在CNT衬底的边缘上的过度构建。参照图13，一个或多个屏蔽部92被用于箱54内并被定位在相应的阳极58和CNT衬底30之间。通常，这种屏蔽件仅用于镀覆本发明的CNT衬底30。屏蔽件被配置为物理上阻挡去往衬底30的边缘39的电阳极路径。优选地，将在衬底30的两侧上利用屏蔽部92并且屏蔽部92将如图13所示被定位在阳极58和CNT衬底30之间。屏蔽部的作用是大体阻挡在边缘处的阳极路径，仅为了防止对边缘39的优先镀覆或过度镀覆。

为此，如图14所示，示出了一个特定的屏蔽部92。屏蔽部92优选地由非导电材料形成，例如有机玻璃、丙烯酸或其他塑料或非导电材料。该屏蔽部可以是这种材料片材的形式。如图所示，屏蔽部92将结合在衬底30的边缘39上延伸的边缘阻挡部段94。为此，部段94提供了边缘与阳极路径的物理阻挡。可以通过连接部分100将两个边缘部分94耦接在一起。然后，可以将屏蔽部92相对于CNT衬底30和阳极58适当地固定在箱54中。如上所述，通常将屏蔽部92定位和实现在衬底20的两侧上。屏蔽部92将通过适当的安装结构(未示出)适当地固定以用于正确定位在箱54内。

可替代地，屏蔽部92的屏蔽部分94可以是两个单独条带部分，该两个条带部分各自安装在衬底的边缘39附近以执行类似的阻挡或屏蔽功能。如此，屏蔽部92的特点形状对于本发明不是关键的，只要屏蔽部的部分94以合适的长度和合适的宽度在边缘86上延伸以防止金属在相反边缘处的过度积聚。屏蔽部82沿着衬底的长度的长度以及部分94相对于边缘39的宽度也将具有合适的尺寸，以确保防止对边缘的过度镀覆。

尽管已经通过各种实施例的描述说明了本发明并且虽然已经详细描述了这些实施例，但是发明人无意将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制于这些细节。因此，本领域普通技术人员将容易想到其他优点和修改。根据用户的需求和偏好，本发明的各种特征可以单独使用或以任何组合使用。

Claims (34)

1.一种线缆，其包括：

至少一个内部导体；

绝缘层，其围绕所述内部导体；

外部导电层，所述外部导电层包括：

具有相反面表面和边缘的碳纳米管衬底；

至少一种金属，其被作为层施加到所述碳纳米管衬底的所述相反面表面和边缘以用于形成金属化碳纳米管衬底；

所述金属化碳纳米管衬底被缠绕为围绕所述绝缘层和中心导体以用于形成所述外部导电层。

2.根据权利要求1所述的线缆，其中，所述至少一个金属层通过电镀过程施加到所述碳纳米管衬底的所述相反面表面和边缘以用于形成所述金属化碳纳米管衬底。

3.根据权利要求2所述的线缆，其中，所述金属层通过连续电镀过程施加到所述碳纳米管衬底。

4.根据权利要求1所述的线缆，其中，所述外部导电层包括作为层施加到所述碳纳米管衬底的所述相反面表面和边缘的多种金属以用于形成所述金属化碳纳米管衬底。

5.根据权利要求1所述的线缆，其中，所述内部导体是实心导体或绞合导体中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的线缆，其中，所述金属化碳纳米管衬底以重叠方式缠绕以围绕所述绝缘层和内部导体以用于形成所述外部导电层。

7.根据权利要求6所述的线缆，其中，经缠绕的所述外部导电层被缠绕为提供50％或以上的重叠。

8.根据权利要求1所述的线缆，其中，经缠绕的所述外部导电层以处于40-50度范围内的角度进行缠绕。

9.根据权利要求8所述的线缆，其中，经缠绕的所述外部导电层以在42.5-47.5度范围内的角度进行缠绕。

10.根据权利要求1所述的线缆，其中，作为层施加的所述至少一种金属包括铜或银中的至少一种。

11.根据权利要求4所述的线缆，其中，所述外部导电层包括作为层施加在所述碳纳米管衬底上的铜层以及施加在所述铜层上的银层。

12.根据权利要求11所述的线缆，其中，所述外部导电层包括厚度处于30-150微英寸范围内的铜层以及厚度处于40-150微英寸范围内的银层。

13.根据权利要求1所述的线缆，其中，所述至少一个金属层的厚度处于30-300微英寸的范围内。

14.根据权利要求1所述的线缆，其中，所述碳纳米管衬底的厚度处于0.0010-0.0020英寸的范围内。

15.根据权利要求1所述的线缆，其中，所述碳纳米管衬底的宽度处于0.300-0.500英寸的范围内。

16.根据权利要求1所述的线缆，其中，所述金属化碳纳米管衬底以围绕所述绝缘层和中心导体的张力缠绕，所述张力基于所述金属化碳纳米管衬底的拉伸强度。

17.根据权利要求1所述的线缆，还包括：

编织层，其定位于所述外部导电层上，所述编织层由多个碳纳米管纱线元件编造而成，每个碳纳米管纱线元件包括多个碳纳米管纤丝；

纱线元件的所述碳纳米管纤丝各自包括碳纳米管芯以及至少一种金属，所述至少一种金属作为层施加在所述碳纳米管芯上以用于形成金属化碳纳米管纤丝；

所述碳纳米管纱线元件被编造为形成所述编织层。

18.根据权利要求17所述的线缆，其中，所述碳纳米管纤丝各自包括作为层施加至所述碳纳米管芯的多种金属。

19.根据权利要求17所述的线缆，其中，所述至少一种金属通过电镀过程作为层施加在所述碳纳米管芯上。

20.根据权利要求17所述的线缆，其中，作为层施加的所述至少一种金属包括铜或银中的至少一种。

21.根据权利要求17所述的线缆，其中，所述碳纳米管纤丝各自包括以层施加在所述碳纳米管芯上的多种金属。

22.根据权利要求1所述的线缆，其中，所述至少一个中心导体包括多个碳纳米管纱线元件，每个纱线元件包括多个碳纳米管纤丝；

纱线元件的所述碳纳米管纤丝各自包括碳纳米管芯以及至少一种金属，所述至少一种金属作为层施加在所述碳纳米管芯上以用于形成金属化碳纳米管纤丝。

23.根据权利要求22所述的线缆，其中，所述碳纳米管纤丝各自包括作为层施加在所述碳纳米管芯上的多种金属。

24.根据权利要求22所述的线缆，其中，所述金属层通过电镀过程施加在所述碳纳米管芯上。

25.根据权利要求22所述的线缆，其中，作为层施加的所述至少一种金属包括铜或银中的至少一种。

26.根据权利要求22所述的线缆，其中，所述碳纳米管纤丝各自包括以层施加在所述碳纳米管芯上的多种金属。

27.一种线缆，其包括：

至少一个内部导体；

绝缘层，其围绕所述内部导体；

外部导电层，其围绕所述内部导体和所述绝缘层并且包括：

至少第一金属层；

碳纳米管衬底；

至少第二金属层；

所述碳纳米管衬底被捕获在所述第一金属层和所述第二金属层之间。

28.根据权利要求27所述的线缆，其中，所述碳纳米管衬底包括边缘，所述碳纳米管衬底的所述边缘包括与所述第一金属层和所述第二金属层耦接的金属层。

29.根据权利要求27所述的线缆，其中，所述碳纳米管衬底包括相反面表面，并且将金属施加到所述面表面以形成金属化碳纳米管衬底以用于提供所述第一金属层和所述第二金属层，所述金属化碳纳米管衬底被缠绕为围绕所述绝缘层和内部导体以用于形成所述外部导电层。

30.根据权利要求29所述的线缆，其中，被施加为形成所述金属化碳纳米管衬底的金属包括铜或银中的至少一种。

31.根据权利要求29所述的线缆，其中，被施加为形成所述金属化碳纳米管衬底的金属包括铜和银。

32.根据权利要求27所述的线缆，其中，所述第一金属层和所述第二金属层中的至少一个的厚度处于30-300微英寸范围内。

33.根据权利要求27所述的线缆，其中，所述第一金属层和所述第二金属层中的至少一个具有多个金属子层。

34.根据权利要求27所述的线缆，其中，所述碳纳米管衬底的厚度处于0.0010-0.0020英寸的范围内。

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