CN113571227A - 石墨烯金属复合导线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及导线技术领域，尤其是石墨烯复合导线；本发明所要解决的技术问题是提供一种固定石墨烯更方便的石墨烯金属复合导线，还提供一种石墨烯金属复合导线制备方法。石墨烯金属复合导线，包括泡沫金属片，在泡沫金属片的表面及内孔设有石墨烯层，至少两层泡沫金属片压合形成石墨烯金属复合导线。石墨烯金属复合导线的制备方法，包括以下步骤，A.将泡沫金属剪裁成同样大小的片状；B.在泡沫金属片的表面涂抹石墨烯，在泡沫金属片的内孔中填充石墨烯；C.用0～20MPa的压力压合泡沫金属片。

Description

石墨烯金属复合导线及其制备方法
技术领域
本发明涉及导线技术领域，尤其是石墨烯复合导线。
背景技术
城市楼宇电力电缆距离较长，随着新能源车推广，大功率大电流电缆及充电设施铺设，金属电缆中焦耳热越发不可忽略，这给系统散热和长时间安全运行带来较大挑战，降低电缆及用电设施中的焦耳电阻，成为碳达峰背景下节能减排急需解决的重要课题。石墨烯导电性好，但石墨烯粉末分散、连续性不好，通常认为不适宜做长距离输电线缆，因石墨烯轻且难固定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种固定石墨烯更方便的石墨烯金属复合导线，还提供一种石墨烯金属复合导线制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：石墨烯金属复合导线，包括泡沫金属片，在泡沫金属片的表面及内孔设有石墨烯层，至少两层泡沫金属片压合形成石墨烯金属复合导线。
进一步的是，泡沫金属片为泡沫镍片、泡沫铜片、泡沫铁片或泡沫铝片。
进一步的是，石墨烯为寡层石墨烯、单层石墨烯或掺杂石墨烯。
进一步的是，掺杂石墨烯为氮掺杂石墨烯或硼掺杂石墨烯。
石墨烯金属复合导线的制备方法，包括以下步骤，
A.将泡沫金属剪裁成同样大小的片状；
B.在泡沫金属片的表面涂抹石墨烯，在泡沫金属片的内孔中填充石墨烯；
C.用0～20MPa的压力压合泡沫金属片。
本发明的有益效果是：石墨烯金属复合导线，包括泡沫金属片，在泡沫金属片的内孔及表面设有石墨烯层，至少两层泡沫金属片压合形成石墨烯金属复合导线，本发明借助泡沫金属内部充填空间大，能起到压实和固定石墨烯粉末的作用，石墨烯粉末层隔开的上下层石墨烯充填泡沫金属压实后，存在交错啮合结构，能保持石墨烯粉末和粉末，石墨烯粉末和泡沫金属之间的充分且紧密的接触。石墨烯粉末充填和压实压紧，极大降低导线的体相电阻。
本发明，具备以下优势：
1)泡沫金属压紧后，能长时间保持对石墨烯粉末与粉末导电需要的压应力，不需额外的应力保持机构或装置；
2)线缆中，石墨烯粉末占据线缆的空间比例，能有较大的提高，能提高线缆承载电流的上限值，提高线缆输送电力的能力；
3)设计成扁平状，不影响墙体道路外观，且减少线缆固定钉使用量；
4)接头处容易现场制作和连接；
5)线缆定制、便于现场施工和铺设，即使线缆转角和接头，也不降低线缆输电能力。
附图说明
图1是石墨烯金属复合导线的结构示意图；
图中零部件、部位及编号：泡沫金属1、石墨烯层2。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，石墨烯金属复合导线，包括泡沫金属片，在泡沫金属片的表面及内孔设有石墨烯层，至少两层泡沫金属片压合形成石墨烯金属复合导线，压合后静置1～2日。
所用的泡沫金属片为泡沫镍片、泡沫铜片、泡沫铁片或泡沫铝片中的一种。
所用的石墨烯为寡层石墨烯、单层石墨烯或掺杂石墨烯。
掺杂石墨烯推荐使用导电性好的氮掺杂石墨烯或硼掺杂石墨烯。
石墨烯金属复合导线的制备方法，包括以下步骤，
A.将泡沫金属剪裁成同样大小的片状；
B.在泡沫金属片的表面涂抹石墨烯，在泡沫金属片的内孔中填充石墨烯；
C.用0～20MPa的压力压合泡沫金属片。
对于上述的制备方法，有以下实施例：
实施例1
石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫镍和石墨烯组成，包括如下步骤：
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为1.77674g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用2.5MPa的压力压制五分钟，使之成型，样品长度为61.2mm，宽度18.27mm以及厚度1.039mm，其质量为2.11777g；静置1～2日，测出样品电阻为0.055mΩ；并计算出此样品中石墨烯质量为0.34103g，石墨烯和金属的比值为0.1919414，电阻率为1.7059×10-8Ω·m。
实施例2
石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫镍和石墨烯组成，包括如下步骤：
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为1.78577g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用5MPa的压力压制五分钟，使之成型，样品长度为61.02mm，宽度17.237mm以及厚度1.734mm，其质量为2.07208g；静置1～2日，测出样品电阻为1.785mΩ；并计算出此样品中石墨烯质量为0.28631g，石墨烯和金属的比值为0.1603286，电阻率为8.7433×10-7Ω·m。
实施例3
石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫镍和石墨烯组成，包括如下步骤：
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为1.72021g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用7.5MPa的压力压制五分钟，使之成型，样品长度为61.07mm，宽度17.233mm以及厚度0.787mm，其质量为2.04307g；静置1～2日，测出样品电阻为1.788mΩ；并计算出此样品中石墨烯质量为0.32286g，石墨烯和金属的比值为0.187686，电阻率为3.9708×10-7Ω·m。
实施例4
石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫镍和石墨烯组成，包括如下步骤：
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为1.76237g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用10MPa的压力压制五分钟，使之成型，样品长度为60.98mm，宽度17.581mm以及厚度0.771mm，其质量为2.11168g；静置1～2日，测出样品电阻为2.73mΩ；并计算出此样品中石墨烯质量为0.34931g，石墨烯和金属的比值为0.198205，电阻率为6.0684×10-7Ω·m。
实施例5
石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫镍和石墨烯组成，包括如下步骤：
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为1.73473g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用12.5MPa的压力压制五分钟，使之成型，样品长度为60.65mm，宽度17.433mm以及厚度0.68mm，其质量为2.07442g；静置1～2日，测出样品电阻为2.641mΩ；并计算出此样品中石墨烯质量为0.33969g，石墨烯和金属的比值为0.195817，电阻率为5.162×10-7Ω·m。
实施例6
石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫镍和石墨烯组成，包括如下步骤：
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为1.77444g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用15MPa的压力压制五分钟，使之成型，样品长度为61.5mm，宽度17.607mm以及厚度0.659mm，其质量为2.11201g；静置1～2日，测出样品电阻为2.49mΩ；并计算出此样品中石墨烯质量为0.33757g，石墨烯和金属的比值为0.19024，电阻率为4.6978×10-7Ω·m。
实施例7
石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫镍和石墨烯组成，包括如下步骤：
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为1.79091g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用17.5MPa的压力压制五分钟，使之成型，样品长度为60.98mm，宽度17.769mm以及厚度0.621mm，其质量为2.14635g；静置1～2日，测出样品电阻为2.302mΩ；并计算出此样品中石墨烯质量为0.35544g，石墨烯和金属的比值为0.198469，电阻率为4.1656×10-7Ω·m。
实施例8
石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫镍和石墨烯组成，包括如下步骤：
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为1.7285g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用20MPa的压力压制五分钟，使之成型，样品长度为60.45mm，宽度17.347mm以及厚度0.605mm，其质量为2.06376g；静置1～2日，测出样品电阻为2.345mΩ；并计算出此样品中石墨烯质量为0.33526g，石墨烯和金属的比值为0.19396，电阻率为4.0712×10-7Ω·m。
实施例9
石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫镍和石墨烯组成，包括如下步骤：
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为1.61905g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用2.5MPa的压力压制一分钟，使之成型，样品长度为60.54mm，宽度16.5mm以及厚度1.464mm，其质量为1.93008g；静置1～2日，测出样品电阻为0.7422mΩ；并计算出此样品中石墨烯质量为0.31103g，石墨烯和金属的比值为0.1921065，电阻率为2.9614×10-7Ω·m。
实施例10
石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫镍和石墨烯组成，包括如下步骤：
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为1.64145g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用5MPa的压力压制一分钟，使之成型，样品长度为60.83mm，宽度15.94mm以及厚度1.066mm，其质量为1.96826g；静置1～2日，测出样品电阻为2.381mΩ；并计算出此样品中石墨烯质量为0.32681g，石墨烯和金属的比值为0.1990984，电阻率为6.651×10-7Ω·m。
实施例11
石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫镍和石墨烯组成，包括如下步骤：
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为1.60215g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用7.5MPa的压力压制一分钟，使之成型，样品长度为60.3mm，宽度16.35mm以及厚度0.783mm，其质量为1.93602g；静置1～2日，测出样品电阻为2.81mΩ；并计算出此样品中石墨烯质量为0.33387g，石墨烯和金属的比值为0.208389，电阻率为5.9658×10-7Ω·m。
实施例12
石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫镍和石墨烯组成，包括如下步骤：
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为1.79131g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用10MPa的压力压制一分钟，使之成型，样品长度为60.3mm，宽度15.73mm以及厚度0.688mm，其质量为1.87159g；静置1～2日，测出样品电阻为2.975mΩ；并计算出此样品中石墨烯质量为0.28028g，石墨烯和金属的比值为0.176132，电阻率为5.3393×10-7Ω·m。
实施例13
石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫镍和石墨烯组成，包括如下步骤：
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为1.63708g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用12.5MPa的压力压制一分钟，使之成型，样品长度为61.23mm，宽度16.44mm以及厚度0.673mm，其质量为1.97483g；静置1～2日，测出样品电阻为2.723mΩ；并计算出此样品中石墨烯质量为0.33775g，石墨烯和金属的比值为0.206312，电阻率为4.9204×10-7Ω·m。
实施例14
石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫镍和石墨烯组成，包括如下步骤：
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为1.62584g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用15MPa的压力压制一分钟，使之成型，样品长度为61.44mm，宽度16.07mm以及厚度0.645mm，其质量为1.96383g；静置1～2日，测出样品电阻为2.877mΩ；并计算出此样品中石墨烯质量为0.33799g，石墨烯和金属的比值为0.207886，电阻率为4.8536×10-7Ω·m。
实施例15
石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫镍和石墨烯组成，包括如下步骤：
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为1.54283g；剪下四根铜丝，其质量为0.04065g，长度为208.11451mm；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属夹杂着铜丝用压力机使用2.5MPa的压力压制一分钟，使之成型，样品长度为59.66mm，宽度16.13mm以及厚度1.397mm，其质量为1.90987g；静置1～2日，测出样品电阻为0.0471mΩ；并计算出此样品中石墨烯质量为0.32639g，石墨烯和金属的比值为0.2115528，电阻率为1.779×10-8Ω·m。
实施例16
石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫镍和石墨烯组成，包括如下步骤：
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为1.54363g；剪下四根铜丝，其质量为0.04054g，长度为207.55135mm；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属夹杂着铜丝用压力机使用20MPa的压力压制一分钟，使之成型，样品长度为61.88mm，宽度15.29mm以及厚度0.577mm，其质量为1.90557g；静置1～2日，测出样品电阻为1.891mΩ；并计算出此样品中石墨烯质量为0.3214g，石墨烯和金属的比值为0.2082105，电阻率为2.696×10-7Ω·m。
实施例17
石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫铜和石墨烯组成，包括如下步骤：
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为2.55132g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用2.5MPa的压力压制一分钟，使之成型，样品长度为60.84mm，宽度15.34mm以及厚度2.196mm，其质量为2.97248g；静置1～2日，测出样品电阻为0.01432mΩ；并计算出此样品中石墨烯质量为0.42116g，石墨烯和金属的比值为0.1650753，电阻率为7.9289×10-9Ω·m。
实施例18
石墨烯金属复合导线的制备方法，所述导线材料由泡沫铁和石墨烯组成，包括如下步骤：
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为6.6764g；然后分别在泡沫金属正反两面涂抹石墨烯，将涂抹好的泡沫金属用压力机使用2.5MPa的压力压制一分钟，使之成型，样品长度为60.41mm，宽度15.43mm以及厚度5.974mm，其质量为7.15953g；静置1～2日，测出样品电阻为0.00622mΩ；并计算出此样品中石墨烯质量为0.48313g，石墨烯和金属的比值为0.0723638，电阻率为9.491×10-9Ω·m。
对比例1
本例与实施例1的不同之处在于：未涂抹石墨烯。
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为1.59142g；直接将泡沫金属用压力机使用2.5MPa的压力压制五分钟，使之成型，样品长度为60mm，宽度16.2mm以及厚度1.305mm，其质量为1.59164g；静置1～2日，测出样品电阻为2.976mΩ；电阻率为1.0486×10-6Ω·m。
对比例2
本例与实施例1的不同之处在于：未涂抹石墨烯且压力为20MPa。
将泡沫金属剪成相同大小的五片，其总质量为1.64438g；直接将泡沫金属用压力机使用20MPa的压力压制五分钟，使之成型，样品长度为60.95mm，宽度16.49mm以及厚度0.474mm，其质量为1.6447g；静置1～2日，测出样品电阻为2.966mΩ；电阻率为3.8036×10-7Ω·m。
对于以上实施例，有下列数据表格供参考：
表一实施例样品尺寸
Figure BDA0003184982190000071
表二实施例样品的纵向电导率
Figure BDA0003184982190000072
Figure BDA0003184982190000081
注：实施例一～实施例九，压力维持5分钟，其余样品压力维持1分钟；所用铜丝为0.1mm无氧铜丝；泡沫镍：厚0.5mm，10-110PPI，泡沫铜：厚0.5mm，10-110PPI；泡沫铁：厚1mm，10-150PPI。
表三电阻仪测试计算铜单丝电导率
Figure BDA0003184982190000082

Claims (5)

1.石墨烯金属复合导线，其特征在于：包括泡沫金属片(1)，在泡沫金属片(1)的表面及内孔设有石墨烯层(2)，至少两层泡沫金属片(1)压合形成石墨烯金属复合导线。
2.如权利要求1所述的石墨烯金属复合导线，其特征在于：泡沫金属片(1)为泡沫镍片、泡沫铜片、泡沫铁片或泡沫铝片。
3.如权利要求1所述的石墨烯金属复合导线，其特征在于：石墨烯为寡层石墨烯、单层石墨烯或掺杂石墨烯。
4.如权利要求3所述的石墨烯金属复合导线，其特征在于：掺杂石墨烯为氮掺杂石墨烯或硼掺杂石墨烯。
5.石墨烯金属复合导线的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
A.将泡沫金属剪裁成同样大小的片状；
B.在泡沫金属片的表面涂抹石墨烯，在泡沫金属片的内孔中填充石墨烯；
C.用0～20MPa的压力压合泡沫金属片。
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