CN115274214A - 一种高石墨烯含量导线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高石墨烯含量导线及其制备方法，旨在解决现有石墨烯薄膜包覆铜线的整体材料中，石墨烯薄膜含量低，制备出导线的导电性能和机械强度改善有限的问题，包括如下步骤：S1、选择金属箔并在所述金属箔的边缘固定金属线，制备出衬底；S2、对衬底进行表面结构进行处理；S3、在衬底两表面上同时制备出至少一层的石墨烯薄膜；S4、以所述金属线为轴芯将具有石墨烯薄膜的衬底紧密卷绕以形成“石墨烯薄膜‑衬底‑石墨烯薄膜‑金属线‑石墨烯薄膜‑衬底‑石墨烯薄膜”为基本单元的宏观石墨烯导线。本发明尤其适用于石墨烯导线高性能的制备和实际应用，具有较高的社会使用价值和应用前景。

Description

一种高石墨烯含量导线及其制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯导线技术领域，具体涉及一种高石墨烯含量导线及其制备方法。
背景技术
导电线缆是当代社会必不可少的基本材料，大数据、信息化的快速发展对导电线缆提出了更高的要求，要求导电线缆重量轻、高导电性、高强度等，比如应用在高铁、新能源、航空、船舶等领域的电力设备与系统。
金属银是所知的具有最高导电率的金属，其次是金属铜。因铜相对价格便宜，金属铜是当今广泛使用的金属导线之一，然而100多年的发展到目前已经难以进一步提高其导电率；即使使用单晶铜，其导电率也仅能达到国际退火铜标准的110％左右，但对于金属材料而言，高纯度、单晶化会导致其机械强度降低。
石墨烯是由碳原子按sp2杂化组成的如蜂窝状的单原子层，其厚度仅约0.334nm。研究表明，石墨烯不但具有比金属铜更优异的导电性，而且具有极高的机械强度、优异的机械柔性、热与环境稳定性，具有高导热性、电磁屏蔽等特性，比如石墨烯的导电电流密度可达108A/cm2[Appl.Phys.Lett.94,243114(2009)]。由石墨烯层堆积可成具有不同层数(或厚度)的石墨烯薄膜。常用的石墨烯薄膜的制备是采用化学气相沉积(CVD)方法在金属如镍、铜以及合金等表面获得[ACS Nano 5,1522(2011)；Adv.Mater.27,6404(2015)]。
目前有石墨烯薄膜包覆铜线的研究[Adv.Mater.2021,33,2104208]，相比于单独的铜线，石墨烯薄膜包覆铜线的整体材料具有更好的导电性能；但是在石墨烯薄膜包覆铜线的整体材料中，石墨烯薄膜含量低，导致导电性能、机械强度的改善有限。为此，我们提出了一种高石墨烯含量导线及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于解决或至少缓解现有技术中所存在的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种高石墨烯含量导线的制备方法，包括如下步骤：
S1、选择金属箔并在所述金属箔的边缘固定金属线，制备出衬底；
S2、对衬底进行表面结构进行处理；
S3、在衬底两表面上同时制备出至少一层的石墨烯薄膜；
S4、以所述金属线为轴芯将具有石墨烯薄膜的衬底紧密卷绕以形成“石墨烯薄膜-衬底-石墨烯薄膜-金属线-石墨烯薄膜-衬底-石墨烯薄膜”为基本单元的宏观石墨烯导线。
可选地，所述步骤S1中，金属箔的一侧边缘固定有金属线。
可选地，所述步骤S1中，金属箔的相向两侧边缘均固定有金属线。
可选地，所述金属线的长度等于或大于金属箔的卷绕向长度。
可选地，所述金属线的截面为圆形、椭圆形、扁形或不规则形状中的一种，且金属线的截面周围线上最大两点之间的距离为5nm–5mm。
可选地，所述金属箔的厚度为1μm～500μm，且铜含量大于60％；由于石墨烯薄膜制备于金属箔的表面，如果金属箔的厚度越薄，这样在制备的宏观线材中，石墨烯的含量越高；另一方面，生长有石墨烯薄膜的厚度小的金属箔卷绕成更宏观的线材时需要卷绕圈数要多，因此，可以依据实际的应用场景而灵活选择金属箔的厚度、以及衬底结构的化学组分。
可选地，所述石墨烯薄膜层的层数为1-10层，厚度为0.334nm–3.34nm。
可选地，所述石墨烯薄膜的制备方法为化学气相沉积法(CVD)，且制备中的碳源采用气态碳源或液态碳源；CVD法是目前常用的可以大规模制备石墨烯薄膜的方法。制备之前，需要对衬底线进行表面处理，以便能够在金属线表面制备出高质量的石墨烯薄膜。所述的气态碳源包括甲烷、乙炔、乙烯等，液态碳源包括乙醇等，但不局限于此。依据使用不同的碳源而温度在350–1070℃范围内，制备时可以选择还原性气氛如氢气，或者氧化性气氛如氧气；制备时，CVD系统的真空度为常压或低于常压。
可选地，所述步骤S3中，石墨烯薄膜制备时，石墨烯薄膜制备设备中用于放置衬底的支撑件仅与金属线接触，而与金属箔表面不接触，以在金属箔的两个表面同时均匀的制备出石墨烯薄膜；由于常用的CVD法制备石墨烯薄膜时，衬底是放置在制备石墨烯薄膜设备的衬底架(支撑件)上，这样衬底的一个表面会与衬底架接触，从而导致在衬底上下两表面制备的石墨烯薄膜质量不一样。
本发明还公开了一种高石墨烯含量导线，采用上述制备方法而制备出以“石墨烯薄膜层-金属箔衬底层-石墨烯薄膜层-金属芯线-石墨烯薄膜层-金属箔衬底层-石墨烯薄膜层”为基本单元的宏观高石墨烯含量导线。
本发明实施例提供了一种高石墨烯含量导线及其制备方法，具备以下有益效果：
1、本发明可制备出高质量的高石墨烯含量薄膜，利用设计的衬底结构围绕金属线紧密卷绕为“石墨烯薄膜-金属箔-石墨烯薄膜-金属线-石墨烯薄膜-金属箔-石墨烯薄膜”为基本单元的宏观导线，该宏观导线中石墨烯的含量高，所制备出的导线具有高导电性、重量轻、机械强度高且柔性、抗氧化、抗酸碱、抗电磁干扰等特性。
2、本发明可通过导线尺寸剪裁，使制备获得的高石墨烯含量导线具有承受高电流、高拉张强度、高速信息传输的能力，适用于高铁、新能源、航空、船舶等领域的电力设备与系统的高要求应用。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种高石墨烯含量导线及其制备方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1为本发明实施例1中高石墨烯含量导线及其制备示意图；其中(a)是本发明的一种衬底结构、金属箔两端边缘都有金属线，(b)制备有石墨烯薄膜结构，(c)制备的导线；
图2为本发明实施例2中高石墨烯含量导线及其制备示意图；其中(a)是本发明的一种衬底结构、金属箔一端边缘有金属线，(b)制备有石墨烯薄膜结构，(c)制备的导线；
图3为本发明实施例1中高石墨烯含量导线及其制备示意图；其中(a)是本发明的一种衬底结构、金属箔一端边缘有金属线，(b)卷绕的衬底结构，(c)制备有石墨烯薄膜结构，(d)制备的导线。
具体实施方式
与所有金属相比，石墨烯的导电性能仅比金属银差，比常用于制备导线的金属铜优异。石墨烯在金属导线中的含量越高，导线的导电等特性更好，但是，如何提高金属导线中石墨烯的含量是一个挑战。
本发明专利通过设计制备石墨烯薄膜的衬底结构，在平面型的金属箔衬底表面比直接在金属型材上制备的石墨烯薄膜质量更高，也更容易控制制备过程；衬底结构设计有金属线的部件有利于将石墨烯薄膜制备时更好地放置衬底，也更简便地将制备有石墨烯薄膜的金属箔进行卷绕加工成导线。因石墨烯的高导电性、高机械强度、高稳定性、重量轻等特性，这样制备的导线具有比金属导线具有更优异的特性。下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明的基本原理、功能。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，不限制各部件的具体位置。下面结合附图1-3和实施例对本发明进一步说明，实施例中未注明具体部件，通常按照常规条件。
实施例1
如图1(a)所示，制备石墨烯薄膜的衬底结构设计为金属箔的相向两侧边缘均固定有金属线。设计好衬底结构后，利用CVD法在衬底表面制备石墨烯薄膜。目前，CVD法制备石墨烯薄膜相关成熟，制备步骤主要包括：
(1)将衬底进行表面结构处理，去除不必要的杂质、使表面平整光滑等；可以理解的，现有技术中有多种处理方法，如在49％的H3PO4溶液中经过电化学抛光处理等；
(2)将表面处理后的衬底上载到石墨烯薄膜制备的CVD系统，本发明在放置衬底时，衬底结构中金属线与石墨烯薄膜制备设备中放置衬底的支撑装置(支撑件)接触，而避免金属箔表面与放置衬底的支撑装置(支撑件)接触，这样的放置有助于在金属箔两表面都能制备高质量的石墨烯薄膜；
(3)衬底放置完后，参照现有的技术在衬底上制备石墨烯薄膜，包括但不限于，在一定条件下，先对衬底进行热处理；随后采用适当的制备石墨烯薄膜的碳源前驱体在衬底表面制备石墨烯薄膜(图1b)；
(4)石墨烯薄膜制备后，拆卸下其中一侧的金属线，以另一侧的金属线为轴，将制备有石墨烯薄膜的金属箔紧密卷绕起来，形成致密的导线，此过程也包括适当的冶金制备工艺，从而构成“石墨烯薄膜-金属箔-石墨烯薄膜-金属线-石墨烯薄膜-金属箔-石墨烯薄膜”为基本单元的宏观导线(图1c)。
本实施例中，衬底结构中的金属线长度等于或大于其所在金属箔边缘的卷绕向长度；衬底结构的金属箔厚度在1μm–500μm之间；且铜含量大于60％；金属线为圆形、椭圆形、扁形或不规则形状中的一种，但不限于此；金属线的截面周围线上最大两点之间的距离在5nm–5mm之间；
由于石墨烯薄膜制备于衬底的表面，如果金属箔的厚度越薄，这样在制备的宏观线材中，石墨烯的含量越高；另一方面，生长有石墨烯薄膜的厚度小的金属箔卷绕成更宏观的线材时需要卷绕圈数要多，因此，可以依据实际的应用场景而灵活选择金属箔的厚度、以及衬底结构的化学组分，且可调节制备参数而使获得石墨烯薄膜厚度在0.334nm–3.34nm之间，即1–10层的石墨烯薄膜。
实施例2
如图2(a)所示，制备石墨烯薄膜的衬底结构设计为金属箔的一侧边缘固定有金属线。设计好衬底结构后，利用CVD法在衬底表面制备石墨烯薄膜。目前，CVD法制备石墨烯薄膜相关成熟，制备步骤主要包括：
(1)将衬底进行表面结构处理，去除不必要的杂质、使表面平整光滑等；可以理解的，现有技术中有多种处理方法，如在49％的H3PO4溶液中经过电化学抛光处理等；
(2)将表面处理后的衬底上载到石墨烯薄膜制备的CVD系统，本发明在放置衬底时，衬底结构中金属线与石墨烯薄膜制备设备中放置衬底的支撑装置(支撑件)接触，而避免金属箔表面与放置衬底的支撑装置(支撑件)接触，这样的放置有助于在金属箔两表面都能制备高质量的石墨烯薄膜；
(3)衬底放置完后，参照现有的技术在衬底上制备石墨烯薄膜，包括但不限于，在一定条件下，先对衬底进行热处理；随后采用适当的制备石墨烯薄膜的碳源前驱体在衬底表面制备石墨烯薄膜(图2b)；
(4)石墨烯薄膜制备后，以金属线为轴，将制备有石墨烯薄膜的金属箔紧密卷绕起来，形成致密的导线，此过程也包括适当的冶金制备工艺，从而构成“石墨烯薄膜-金属箔-石墨烯薄膜-金属线-石墨烯薄膜-金属箔-石墨烯薄膜”为基本单元的宏观导线(图2c)。
本实施例中，衬底结构中的金属线长度等于或大于其所在金属箔边缘的卷绕向长度；衬底结构的金属箔厚度在1μm–500μm之间；且铜含量大于60％；金属线为圆形、椭圆形、扁形或不规则形状中的一种，但不限于此；金属线的截面周围线上最大两点之间的距离在5nm–5mm之间；
由于石墨烯薄膜制备于衬底的表面，如果金属箔的厚度越薄，这样在制备的宏观线材中，石墨烯的含量越高；另一方面，生长有石墨烯薄膜的厚度小的金属箔卷绕成更宏观的线材时需要卷绕圈数要多，因此，可以依据实际的应用场景而灵活选择金属箔的厚度、以及衬底结构的化学组分，且可调节制备参数而使获得石墨烯薄膜厚度在0.334nm–3.34nm之间，即1–10层的石墨烯薄膜。
实施例3
如图3(a)所示，制备石墨烯薄膜的衬底结构设计为金属箔的一侧边缘固定有金属线。设计好衬底结构后，利用CVD法在衬底表面制备石墨烯薄膜。目前，CVD法制备石墨烯薄膜相关成熟，制备步骤主要包括：
(1)将衬底进行表面结构处理，去除不必要的杂质、使表面平整光滑等；可以理解的，现有技术中有多种处理方法，如在49％的H3PO4溶液中经过电化学抛光处理等；
(2)将表面处理后的衬底以金属线为轴卷绕起来成卷材(图3b)，卷材中，金属箔与金属箔之间存在一定的空隙，存在的空隙有助于后续制备石墨烯薄膜的气态前驱体扩散进入金属箔与金属箔之间，从而可以在金属箔表面生长石墨烯薄膜。
(3)衬底卷材上载到石墨烯薄膜制备的CVD系统，本发明在放置衬底时，衬底结构中金属线与石墨烯薄膜制备设备中放置衬底的支撑装置(支撑件)接触，而避免金属箔表面与放置衬底的支撑装置(支撑件)接触，这样的放置有助于在金属箔两表面都能制备高质量的石墨烯薄膜。
(4)衬底放置完后，参照现有的技术在衬底上制备石墨烯薄膜，包括但不限于，在一定条件下，先对衬底进行热处理；然后，采用适当的制备石墨烯薄膜的碳源前驱体在衬底表面制备石墨烯薄膜(图3c)
(5)石墨烯薄膜制备后，以金属线为轴，将制备有石墨烯薄膜的金属箔紧密卷绕起来，形成致密的导线，此过程也包括适当的冶金制备工艺，从而构成“石墨烯薄膜-金属箔-石墨烯薄膜-金属线-石墨烯薄膜-金属箔-石墨烯薄膜”为基本单元的宏观导线(图3d)。
本实施例中，衬底结构中的金属线长度等于或大于其所在金属箔边缘的卷绕向长度；衬底结构的金属箔厚度在1μm–500μm之间；且铜含量大于60％；金属线为圆形、椭圆形、扁形或不规则形状中的一种，但不限于此；金属线的截面周围线上最大两点之间的距离在5nm–5mm之间；
由于石墨烯薄膜制备于衬底的表面，如果金属箔的厚度越薄，这样在制备的宏观线材中，石墨烯的含量越高；另一方面，生长有石墨烯薄膜的厚度小的金属箔卷绕成更宏观的线材时需要卷绕圈数要多，因此，可以依据实际的应用场景而灵活选择金属箔的厚度、以及衬底结构的化学组分，且可调节制备参数而使获得石墨烯薄膜厚度在0.334nm–3.34nm之间，即1–10层的石墨烯薄膜。
根据本发明上述实施例1-3的高石墨烯含量导线制备方法，可制备出高质量的高石墨烯含量石墨烯薄膜，利用设计的衬底结构围绕金属线紧密卷绕为“石墨烯薄膜-金属箔-石墨烯薄膜-金属线-石墨烯薄膜-金属箔-石墨烯薄膜”为基本单元的宏观导线，该宏观导线中石墨烯的含量高，所制备出的导线具有高导电性、重量轻、机械强度高且柔性、抗氧化、抗酸碱、抗电磁干扰等特性；
还需要说明的是，上述制备方法制备出的高石墨烯含量导线，可通过导线尺寸剪裁，使制备获得的高石墨烯含量导线具有承受高电流、高拉张强度、高速信息传输的能力，适用于高铁、新能源、航空、船舶等领域的电力设备与系统的高要求应用。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，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所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高石墨烯含量导线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、选择金属箔并在所述金属箔的边缘固定金属线，制备出衬底；
S2、对衬底进行表面结构进行处理；
S3、在衬底两表面上同时制备出至少一层的石墨烯薄膜；
S4、以所述金属线为轴芯将具有石墨烯薄膜的衬底紧密卷绕以形成“石墨烯薄膜-衬底-石墨烯薄膜-金属线-石墨烯薄膜-衬底-石墨烯薄膜”为基本单元的宏观石墨烯导线。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，金属箔的一侧边缘固定有金属线。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，金属箔的相向两侧边缘均固定有金属线。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述金属线的长度等于或大于金属箔的卷绕向长度。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述金属线的截面为圆形、椭圆形、扁形或不规则形状中的一种，且金属线的截面周围线上最大两点之间的距离为5nm–5mm。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述金属箔的厚度为1μm～500μm，且铜含量大于60％。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述石墨烯薄膜层的层数为1-10层，厚度为0.334nm–3.34nm。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述石墨烯薄膜的制备方法为化学气相沉积法，且制备中的碳源采用气态碳源或液态碳源。
9.如权利要求2或3任一项所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，石墨烯薄膜制备时，石墨烯薄膜制备设备中用于放置衬底的支撑件仅与金属线接触，而与金属箔表面不接触，以在金属箔的两个表面同时均匀的制备出石墨烯薄膜。
10.一种高石墨烯含量导线，其特征在于：采用权利要求1-9任一项所述制备方法而制备出以“石墨烯薄膜-衬底-石墨烯薄膜-金属线-石墨烯薄膜-衬底-石墨烯薄膜”为基本单元的宏观高石墨烯含量导线。
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