TWI557060B - 奈米碳管複合導線 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種超細導線，尤其是一種超細的奈米碳管複合導線。
超細導線具有廣泛的用途，先前技術中的超細導線通常採用金屬或合金。然而，當由金屬或合金作成的超細導線的直徑達到微米級時，例如1微米-50微米，其抗拉強度會顯著降低，難以滿足實際應用的要求。
奈米碳管由於具有良好的機械性能，也廣泛應用於超細導線。先前技術中的奈米碳管線，是由複數微觀的奈米碳管相互連接，從而形成宏觀的超細導線。由奈米碳管形成的超細導線雖然具有較高的機械強度，但是，在奈米碳管之間的連接處具有很高的電阻，因此，難以滿足導電性方面的要求。
為了提高所述奈米碳管線的導電性能，有人提出將奈米碳管線的表面形成一厚度為1～50奈米的金屬層以提高其導電性。由於所述金屬層具有較小的厚度，一方面，在使用時該金屬層易氧化，故耐用性低；另一方面，其導電性雖然與純的奈米碳管線有一定的提高，但相對於純金屬線仍然相差數個數量級，導電性有待進一步提高。
有鑒於此，確有必要提供一種具有較好耐用性及較高導電性能的奈米碳管複合導線。
一種奈米碳管複合導線包括：一奈米碳管單紗，該奈米碳管單紗由複數奈米碳管沿該奈米碳管單紗軸向旋轉加捻構成，該奈米碳管單紗的捻度為10轉/釐米到300轉/釐米，該奈米碳管單紗的直徑為1微米到30微米；以及一金屬層，包覆於所述奈米碳管單紗的外表面，該金屬層厚度為1微米到5微米。
與先前技術相比較，由本發明提供的奈米碳管複合導線具有以下優點，其一，由於金屬層具有較大的厚度，故該金屬層具有較好的抗氧化性能及耐用性能，另外，所述奈米碳管複合導線在使用時，該金屬層可以起主要的導電作用，即，電流主要通過奈米碳管複合導線的表層傳導，即通過金屬層傳導，形成類似驅膚效應，故，可以顯著提高所述奈米碳管複合導線的電導率；其二，通過優化所述奈米碳管單紗的直徑和捻度，從而可以顯著提高所述奈米碳管複合導線的機械性能。
圖1為本發明實施例提供的奈米碳管複合導線的掃描電鏡照片。
圖2為本發明實施例提供的奈米碳管複合導線中的拉伸應力曲線。
請參照圖1，本發明提供一奈米碳管複合導線100，包括一奈米碳管單紗10以及一包覆於所述奈米碳管單紗10外表面的金屬層12。
所述奈米碳管單紗10由複數奈米碳管沿該奈米碳管單紗10的軸向旋轉加捻構成。所述奈米碳管單紗10可以通過從一奈米碳管陣列中拉取獲得一奈米碳管線，並將所述奈米碳管線的兩端相對回轉形成。所述奈米碳管線可以沿順時針方向回轉，從而形成S捻；所述奈米碳管線可以沿逆時針方向回轉，從而形成Z捻。由於從奈米碳管陣列中直接拉取獲得的奈米碳管線中的奈米碳管基本沿所述奈米碳管線的軸向延伸，且在所述奈米碳管線的軸向方向通過凡得瓦力首尾相連。故，在將所述奈米碳管線的兩端相對回轉的過程中，該奈米碳管線中的奈米碳管會沿奈米碳管線的軸向方向螺旋狀排列，且在延伸方向通過凡得瓦力首尾相連，進而形成所述奈米碳管單紗10。另外，在將所述奈米碳管線的兩端相對回轉的過程中，所述奈米碳管線中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距會變小，接觸面積增大，從而使所述奈米碳管單紗10中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的凡得瓦力顯著增加，並緊密相連。所述奈米碳管單紗10中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距小於等於10奈米。優選地，所述奈米碳管單紗10中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距小於等於5奈米。更優選地，所述奈米碳管單紗10中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距小於等於1奈米。由於所述奈米碳管單紗10中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距較小且通過凡得瓦力緊密相連，故，所述奈米碳管單紗10具有光滑且緻密的表面結構。
所述奈米碳管單紗10的直徑為1微米到30微米。所述奈米碳管單紗10的捻度為10轉/釐米到300轉/釐米。所述捻度是指單位長度奈米碳管線回轉的圈數。當所述奈米碳管單紗10的直徑確定時，適當的捻度可以使所述奈米碳管單紗10具有較好的機械性能。這是由於，隨著捻度的增加，所述奈米碳管單紗10中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間間距的降低，從而使沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的作用力會增強；但是，當捻度過大時，所述奈米碳管單紗10中沿軸向方向相鄰的奈米碳管之間的作用力反而會降低。當所述奈米碳管單紗10的直徑小於10微米時，所述奈米碳管單紗10的捻度優選為250轉/釐米到300轉/釐米；而當所述奈米碳管單紗10的直徑為10微米到20微米時，所述奈米碳管單紗10的捻度優選為200轉/釐米到250轉/釐米；而當所述奈米碳管單紗10的直徑為25微米到30微米時，所述奈米碳管單紗10的捻度優選為100轉/釐米到150轉/釐米。所述奈米碳管單紗10的機械強度可以達到相同直徑的金線的機械強度的5-10倍。本實施例中，所述奈米碳管單紗10的直徑約為25微米，且其捻度約為100轉/釐米。
由於所述奈米碳管單紗10具有光滑且緻密的表面結構，故，所述金屬層12可以和所述奈米碳管單紗10形成良好的結合，不易脫落。所述金屬層12均勻的包覆於所述奈米碳管單紗10的外表面，其厚度為1微米到5微米。當所述金屬層12的厚度為1微米到5微米時，所述奈米碳管複合導線100的電導率可以到達所述金屬層12中金屬的電導率的50%以上。當所述金屬層12的厚度太小時，例如小於1微米，一方面不能顯著提高所述奈米碳管複合導線100的電導率，另一方面，還會使得該金屬層12在使用時容易被氧化，進一步降低所述奈米碳管複合導線100的電導率及使用壽命。另外，實驗證明當所述金屬層12的厚度大於一定值時，例如大於5微米，所述奈米碳管複合導線100的電導率不但不會顯著增加，還會額外增加所述奈米碳管複合導線100的直徑。所述金屬層12的材料可以為金、銀、銅等導電性較好的金屬或合金。本實施例中，所述金屬層12為厚度約為5微米的銅，從而使該奈米碳管複合導線100的電導率可以達到4.39×107
S/m，為金屬銅的電導率的75%左右。
請參照圖2，本實施例中，所述奈米碳管複合導線100的直徑約為35微米，其拉伸應力可以達到900MPa以上，為相同直徑下金線的9倍左右。另外，從圖中2還可以看出所述奈米碳管複合導線100的拉伸應變率為3%左右。
所述金屬層12可以通過電鍍、化學鍍、蒸鍍等方法形成於所述奈米碳管單紗10的外表面，進而形成所述奈米碳管複合導線100。
本發明提供的奈米碳管複合導線通過同時優化所述奈米碳管單紗的直徑和捻度以及所述金屬層的厚度，從而使所述奈米碳管複合導線同時具有良好的力學和機械性能。具體地，首先，通過優化所述金屬層的厚度，從而可以使所述金屬層具有較好的抗氧化性能及耐用性能；其次，由於所述金屬層具有較大的厚度，因此，所述奈米碳管複合導線在使用時，所述金屬層起主要的導電作用，即，電流主要通過奈米碳管複合導線的表層傳導，即通過金屬層傳導，形成類似驅膚效應，故，可以顯著提高所述奈米碳管複合導線的電導率；最後，通過優化所述奈米碳管單紗的直徑和捻度，從而可以顯著提高所述奈米碳管複合導線的機械性能。另外，所述奈米碳管複合導線在使用時，即使所述金屬層被高溫熔斷，由於奈米碳管具有良好的耐熱性能，所述奈米碳管單紗也不會輕易斷路，從而還可以使所述奈米碳管複合導線保持通路狀態，進而提高所述奈米碳管複合導線的耐用性。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100‧‧‧奈米碳管複合導線
10‧‧‧奈米碳管單紗
12‧‧‧金屬層
無
100‧‧‧奈米碳管複合導線
10‧‧‧奈米碳管單紗
12‧‧‧金屬層
Claims (11)
- 一種奈米碳管複合導線，其包括：
一奈米碳管單紗，該奈米碳管單紗由複數奈米碳管沿該奈米碳管單紗軸向旋轉加捻構成，該奈米碳管單紗的捻度為10轉/釐米到300轉/釐米，該奈米碳管單紗的直徑為1微米到30微米；以及
一金屬層，包覆於所述奈米碳管單紗的外表面，該金屬層厚度為1微米到5微米。 - 如請求項1所述的奈米碳管複合導線，其中，所述奈米碳管單紗的直徑小於10微米，所述奈米碳管單紗的捻度為250轉/釐米到300轉/釐米。
- 如請求項1所述的奈米碳管複合導線，其中，所述奈米碳管單紗的直徑為25微米到30微米，所述奈米碳管單紗的捻度為100轉/釐米到150轉/釐米。
- 如請求項1所述的奈米碳管複合導線，其中，所述奈米碳管單紗為S捻或Z捻。
- 如請求項1所述的奈米碳管複合導線，其中，所述奈米碳管單紗的機械強度為相同直徑下金線的機械強度的5-10倍。
- 如請求項1所述的奈米碳管複合導線，其中，所述奈米碳管複合導線的電導率為所述金屬層中金屬的電導率的50%以上。
- 如請求項1所述的奈米碳管複合導線，其中，所述複數奈米碳管通過凡得瓦力緊密結合。
- 如請求項1所述的奈米碳管複合導線，其中，所述複數奈米碳管與該奈米碳管延伸方向上相鄰的兩個奈米碳管之間通過凡得瓦力首尾相連。
- 如請求項7所述的奈米碳管複合導線，其中，每一奈米碳管與該奈米碳管徑向方向上相鄰的奈米碳管之間的間距小於等於10奈米。
- 如請求項9所述的奈米碳管複合導線，其中，每一奈米碳管與該奈米碳管徑向方向上相鄰的奈米碳管之間的間距小於等於5奈米。
- 如請求項1所述的奈米碳管複合導線，其中，所述奈米碳管單紗具有光滑且緻密的表面結構。
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