新型石墨烯增强铝导线及其制备方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911421621.6 (22)申请日 2019.12.31 (71)申请人 新疆烯金石墨烯科技有限公司 地址 830001 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐 市甘泉堡经济技术开发区柏润路1006 号石墨烯车间 (72)发明人 卢科伟杨新伟李辰鹏王成军 (74)专利代理机构 北京华进京联知识产权代理 有限公司 11606 代理人 王勤思 (51)Int.Cl. H01B 1/02(2006.01) H01B 1/04(2006.01) H01B 5/02(2006.01) H01B。

2、 13/00(2006.01) C23C 16/26(2006.01) (54)发明名称 新型石墨烯增强铝导线及其制备方法 (57)摘要 本发明公开了一种新型石墨烯增强铝导线， 为铝层和石墨烯层叠加形成的双层结构沿顺时 针或逆时针经卷绕形成的柱状实心结构， 在所述 柱状实心结构的径向上， 所述铝层和所述石墨烯 层交替设置且相邻的所述铝层和所述石墨烯层 之间贴合设置。 本发明还公开了一种新型石墨烯 增强铝导线的制备方法， 包括： 提供所述铝层和 所述石墨烯层叠加并卷绕形成的所述柱状结构； 以及沿所述柱状结构的径向对所述柱状结构进 行挤压， 相邻的所述铝层和所述石墨烯层之间贴 合设置， 形成所述柱。

3、状实心结构。 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 CN 111063472 A 2020.04.24 CN 111063472 A 1.一种新型石墨烯增强铝导线， 其特征在于， 为铝层和石墨烯层叠加形成的双层结构 沿顺时针或逆时针经卷绕形成的柱状实心结构， 在所述柱状实心结构的径向上， 所述铝层 和所述石墨烯层交替设置且相邻的所述铝层和所述石墨烯层之间贴合设置。 2.根据权利要求1所述的新型石墨烯增强铝导线， 其特征在于， 单层的所述铝层与单层 的所述石墨烯层的厚度比为(3103104):1。 3.根据权利要求1所述的新型石墨烯增强铝导线， 其特征在于， 所述柱状实心结构的直 径为15mm2。

4、5mm。 4.一种如权利要求1-3任一项所述的新型石墨烯增强铝导线的制备方法， 包括： 提供所述铝层和所述石墨烯层叠加并卷绕形成的所述柱状结构； 以及 沿所述柱状结构的径向对所述柱状结构进行挤压， 使相邻的所述铝层和所述石墨烯层 之间贴合设置， 形成所述柱状实心结构。 5.根据权利要求4所述的新型石墨烯增强铝导线的制备方法， 其特征在于， 所述挤压的 温度为350550。 6.根据权利要求5所述的新型石墨烯增强铝导线的制备方法， 其特征在于， 挤压后的所 述柱状实心结构的直径与挤压前的所述柱状结构的直径的比值1:(1.13)。 7.根据权利要求4所述的新型石墨烯增强铝导线的制备方法， 其特征在。

5、于， 提供所述柱 状结构的步骤包括： 在卷对卷化学气相沉积装置的进气口段放置镍板； 将铝箔放入所述卷对卷化学气相沉积装置中， 真空环境下， 在等离子发生区域通入工 作气体载入气态碳源， 从而所述铝箔上沉积形成所述石墨烯层； 将生长完所述石墨烯层的双层结构沿顺时针或逆时针经卷绕形成所述柱状结构。 8.根据权利要求7所述的新型石墨烯增强铝导线的制备方法， 其特征在于， 所述工作气 体选自氢气、 氩气、 氦气和氮气中的一种或多种。 9.根据权利要求8所述的新型石墨烯增强铝导线的制备方法， 其特征在于， 所述气态碳 源选自甲烷、 甲醇、 乙醇、 甲酸甲酯、 乙炔的一种或多种。 10.根据权利要求8所述。

6、的新型石墨烯增强铝导线的制备方法， 其特征在于， 所述工作 气体的流速为80sccm120sccm， 所述气态碳源的流速为5sccm30sccm。 11.根据权利要求7所述的新型石墨烯增强铝导线的制备方法， 其特征在于， 采用卷对 卷化学气相沉积工艺在所述铝箔上沉积形成所述石墨烯层的真空度小于510-3Pa， 温度为 550600， 等离子体功率为100W300W， 步行速度为1mm/s30mm/s。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111063472 A 2 新型石墨烯增强铝导线及其制备方法 技术领域 0001 本发明涉及导线技术领域， 特别是涉及一种新型石墨烯增强铝导线及其制备方 法。 。

7、背景技术 0002 第二次工业革命之后， 电的发明和应用对人们的生活产生了巨大的影响， 电力应 用分为两个重要部分， 其一为发电， 其二为电力输送。 在电力输送过程中， 电线及电缆对于 电力传输效率起到了决定性的作用。 对于电线和电缆主要性能要求为力学性能和电学性 能， 具体为抗拉强度和导电率， 因为电缆架设过程中一般采用大跨度建设， 以减少架设成 本， 如果电缆的强度不够， 会在运行过程中受自身重力的影响而下垂， 并最终断裂； 而电缆 的导电性较差时， 会极大的影响电缆的传输效率且因电阻产生的热量也会严重影响电缆的 寿命。 0003 目前常用的电缆材料为铜芯及铝芯， 铜的强度及导电性基本能够。

8、满足电缆的性能 要求， 但是大规模应用时， 成本成为了铜芯电缆的短板； 铝芯电缆相比于铜芯电缆， 其强度 的短板在各种制备工艺的组合下已经能够满足输电电缆的要求， 但是其导电性仍有不足。 发明内容 0004 基于此， 有必要提供一种兼具力学强度和导电性的新型石墨烯增强铝导线及其制 备方法。 0005 一种新型石墨烯增强铝导线， 为铝层和石墨烯层叠加形成的双层结构沿顺时针或 逆时针经卷绕形成的柱状实心结构， 在所述柱状实心结构的径向上， 所述铝层和所述石墨 烯层交替设置且相邻的所述铝层和所述石墨烯层之间贴合设置。 0006 在其中一个实施例中， 单层的所述铝层与单层的所述石墨烯层的厚度比为(3 。

9、103104):1。 0007 在其中一个实施例中， 所述柱状实心结构的直径为15mm25mm。 0008 一种所述的新型石墨烯增强铝导线的制备方法， 包括： 0009 提供所述铝层和所述石墨烯层叠加并卷绕形成的所述柱状结构； 以及 0010 沿所述柱状结构的径向对所述柱状结构进行挤压， 使相邻的所述铝层和所述石墨 烯层之间贴合设置， 形成所述柱状实心结构。 0011 在其中一个实施例中， 所述挤压的温度为350550。 0012 在其中一个实施例中， 挤压后的所述柱状实心结构的直径与挤压前的所述柱状结 构的直径的比值1:(1.13)。 0013 在其中一个实施例中， 提供所述柱状结构的步骤包。

10、括： 0014 在卷对卷化学气相沉积装置的进气口段放置镍板； 0015 将铝箔放入所述卷对卷化学气相沉积装置中， 真空环境下， 在等离子发生区域通 入工作气体载入气态碳源， 从而所述铝箔上沉积形成所述石墨烯层； 说明书 1/5 页 3 CN 111063472 A 3 0016 将生长完所述石墨烯层的双层结构沿顺时针或逆时针经卷绕形成所述柱状结构。 0017 在其中一个实施例中， 所述工作气体选自氢气、 氩气、 氦气和氮气中的一种或多 种。 0018 在其中一个实施例中， 所述气态碳源选自甲烷、 甲醇、 乙醇、 甲酸甲酯、 乙炔的一种 或多种。 0019 在其中一个实施例中， 所述工作气体的流。

11、速为80sccm120sccm， 所述气态碳源的 流速为5sccm30sccm。 0020 在其中一个实施例中， 采用卷对卷化学气相沉积工艺在所述铝箔上沉积形成所述 石墨烯层的真空度小于510-3Pa， 温度为550500， 等离子体功率为100W300W， 步行 速度为1mm/s30mm/s。 0021 本发明通过将铝层和石墨烯层叠加先形成双层结构， 然后将双层结构沿顺时针或 逆时针经卷绕形成柱状实心结构的新型石墨烯增强铝导线， 铝层、 石墨烯层的双层结构经 卷绕形成的柱状结构的铝层和石墨烯层交替设置且相邻的铝层和石墨烯层之间贴合设置， 使石墨烯能够在螺旋形的导线结构中连续起来， 利用石墨烯。

12、极高的载流子迁移速率来提高 最终成型的新型石墨烯增强铝导线， 且能够在一定程度上对导线的强度起到增强作用。 0022 进一步， 该新型石墨烯增强铝导线的制备方法简单， 避免了粉末冶金或者熔融铸 造法制备石墨烯铝复合材料过程中的石墨烯和铝的不均匀分散问题， 适用于工业化制备兼 具力学性能和导电性的石墨烯增强铝导线。 附图说明 0023 图1为本发明一实施例的新型石墨烯增强铝导线制备中的卷绕过程结构示意图。 具体实施方式 0024 为了便于理解本发明， 下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。 附图中 给出了本发明的较佳实施例。 但是， 本发明可以以许多不同的形式来实现， 并不限于本文所 描述。

13、的实施例。 相反地， 提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻 全面。 0025 除非另有定义， 本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的 技术人员通常理解的含义相同。 本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具 体的实施例的目的， 不是旨在于限制本发明。 本文所使用的术语 “和/或” 包括一个或多个相 关的所列项目的任意的和所有的组合。 0026 请参阅图1， 本发明实施例提供一种新型石墨烯增强铝导线， 为铝层20和石墨烯层 40叠加形成的双层结构沿顺时针或逆时针经卷绕形成的柱状实心结构， 在所述柱状实心结 构的径向上， 所述铝层20和所述石墨烯层40。

14、交替设置且相邻的所述铝层20和所述石墨烯层 40之间贴合设置。 0027 本发明实施例通过将铝层20和石墨烯层40叠加先形成双层结构， 然后将双层结构 沿顺时针或逆时针经卷绕形成柱状实心结构的新型石墨烯增强铝导线， 铝层20、 石墨烯层 40的双层结构经卷绕形成的柱状结构的铝层20和石墨烯层40交替设置且相邻的铝层20和 石墨烯层40之间贴合设置， 使石墨烯能够在螺旋形的导线结构中连续起来， 利用石墨烯极 说明书 2/5 页 4 CN 111063472 A 4 高的载流子迁移速率来提高最终成型的新型石墨烯增强铝导线， 且能够在一定程度上对导 线的强度起到增强作用。 0028 在一实施例中， 。

15、单层的所述铝层20与单层的所述石墨烯层40的厚度比可以为(3 103104):1。 铝层20与石墨烯层40在该厚度比范围内能够导线在强度增强的同时， 导电性 也得到提高， 并且导线的重量适合作为常规电缆使用。 在一实施例中， 单层铝层20的厚度可 为5 m15 m。 0029 在一实施例中， 所述柱状实心结构的直径可以为15mm25mm。 进一步， 柱状实心结 构的直径可以为15mm20mm或10mm25mm。 0030 本发明实施例还提供一种上述任一实施例的新型石墨烯增强铝导线的制备方法， 包括： 0031 S100， 提供所述铝层20和所述石墨烯层40叠加并卷绕形成的所述柱状结构； 以及 。

16、0032 S200， 沿所述柱状结构的径向对所述柱状结构进行挤压， 使相邻的所述铝层20和 所述石墨烯层40之间贴合设置， 形成所述柱状实心结构。 0033 本发明实施例的新型石墨烯增强铝导线的制备方法简单， 避免了粉末冶金或者熔 融铸造法制备石墨烯铝复合材料过程中的石墨烯和铝的不均匀分散问题， 适用于工业化制 备兼具力学性能和导电性的石墨烯增强铝导线。 0034 步骤S100中， 所述柱状结构的制备方法可以为先将铝层20和石墨烯层40整体叠加 形成双层结构， 然后将双层结构进行卷绕得到柱形结构。 或者可以为在进行叠加的同时进 行卷绕， 也就是在一端进行叠加后立即将已叠加的部分卷绕， 边叠加边。

17、卷绕， 从而能够避免 石墨烯 0035 在一实施例中， 提供所述柱状结构的步骤可以包括： 0036 S120， 在卷对卷化学气相沉积装置的进气口段放置镍板； 0037 S140， 将铝箔放入所述卷对卷化学气相沉积装置中， 真空环境下， 在等离子发生区 域通入工作气体载入气态碳源， 从而所述铝箔上沉积形成所述石墨烯层40； 以及 0038 S150， 将生长完所述石墨烯层40的双层结构沿顺时针或逆时针经卷绕形成所述柱 状结构。 0039 本实施例中， 镍板作为催化剂， 促进石墨烯在铝箔表面的生长。 镍在石墨烯催化生 长的过程中的原理为作为碳的沉降析出的载体和催化剂， 相比于铜的表面催化， 能够更。

18、好 的在铝箔表面生成石墨烯。 由于镍的溶碳量较高， 较多的碳原子能够沉降进镍板里， 随着溶 碳量的增加， 达到溶碳极限后， 碳原子会逐渐析出， 并在析出的过程中被镍催化为石墨烯片 层， 同时在气流的作用下， 飘到铝箔表面成为石墨烯形核点， 有助于铝箔表面生长出质量更 好的石墨烯层40。 0040 镍板尺寸没有具体要求， 只要能放进卷对卷化学气相沉积装置内即可。 0041 在一实施例中， 所述工作气体可选自氢气、 氩气、 氦气和氮气中的一种或多种。 0042 在一实施例中， 所述气态碳源可选自甲烷、 甲醇、 乙醇、 甲酸甲酯、 乙炔的一种或多 种。 0043 在一实施例中， 所述工作气体的流速可。

19、以为80sccm120sccm。 进一步的， 该流速 可以为80sccm90sccm、 90sccm100sccm、 100sccm110sccm或110sccm120sccm。 0044 在一实施例中， 所述气态碳源的流速可以为5sccm30sccm。 进一步的， 该流速可 说明书 3/5 页 5 CN 111063472 A 5 以为5sccm10sccm、 10sccm20sccm或20sccm30sccm。 0045 在一实施例中， 采用卷对卷化学气相沉积工艺在所述铝箔上沉积形成所述石墨烯 层40的真空度可小于510-3Pa， 避免石墨烯或铝箔的氧化。 在一实施例中， 铝箔上沉积形成 。

20、石墨烯层40的温度可为550500， 等离子体功率可为100W300W， 步行速度可为1mm/s 30mm/s。 0046 在步骤S200中， 通过在径向进行挤压， 使得可能存在间隙的柱状结构形成实心， 从 而增强整体导线的结构紧凑型， 进而增强导线的导电性和机械性能。 在一实施例中， 该挤压 的方式可以为热等静压或热挤压中的任一种。 在一实施例中， 挤压的温度可以为350 550。 进一步， 该挤压的温度可以为350400、 400450或450500。 0047 在一实施例中， 挤压后的所述柱状实心结构的直径与挤压前的所述柱状结构的直 径的比值1:(1.13)。 进一步， 该直径比可以为1。

21、:(1.11.5)、 1:(1.52)或1:(23)。 0048 实施例1 0049 在卷对卷化学气相沉积装置进气口的一段放置一块20mm20mm2mm的镍板， 作 为远端催化的催化体， 将厚度为8 m的铝箔放入卷对卷化学气相沉积装置中， 对该装置内进 行抽真空处理， 使真空度低于510-3Pa， 同时升温至550， 通入20sccm CH4和100sccm H2， 启动等离子体发射器， 等离子功率为150W， 步进速度为5mm/s， 形成铝层20石墨烯层40叠加 的双层结构。 0050 将生长完石墨烯的双层结构以螺旋式进行卷绕， 使其致密， 得到柱形结构， 卷绕后 柱形结构直径为20mm。 。

22、0051 将卷绕完成的柱形结构进行热挤压， 挤压温度为500， 挤压比为2： 1， 获得实心的 石墨烯增强铝导线。 0052 实施例2 0053 在卷对卷化学气相沉积装置进气口的一段放置一块10mm10mm10mm的镍板， 作 为远端催化的催化体， 将厚度为15 m的铝箔放入卷对卷化学气相沉积装置中， 对该装置内 进行抽真空处理， 使真空度低于510-3Pa， 同时升温至500， 通入20sccm乙醇、 40sccm Ar 和80sccm H2， 启动等离子体发射器， 等离子功率为100W， 步进速度为30mm/s， 形成铝层20石 墨烯层40叠加的双层结构。 0054 将生长完石墨烯的双层结。

23、构以螺旋式进行卷绕， 使其致密， 得到柱形结构， 卷绕后 柱形结构直径为30mm。 0055 将卷绕完成的柱形结构进行热等静压， 温度为350， 挤压比为1.5： 1， 获得实心的 石墨烯增强铝导线。 0056 对比例1 0057 对比例1与实施例1基本相同， 区别仅在于不通入CH4， 用等流量的H2代替， 最后不形 成石墨烯层40。 0058 对比例2 0059 对比例2与实施例1基本相同， 区别仅在于将铝箔厚度改为20 m。 0060 对比例3 0061 对比例3与实施例1基本相同， 区别仅在于将步进速度改为50mm/s。 0062 将实施例1-2及对比例1-3获得的最终电缆裁成400mm。

24、长， 分别进行导电性和拉伸 说明书 4/5 页 6 CN 111063472 A 6 性能测试， 测试结果如表1所示。 0063 表1 0064 组别抗拉强度/MPa导电性/IACS 实施例135255 实施例233853 对比例115555 对比例225952 对比例319050 0065 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合， 为使描述简洁， 未对上述实 施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述， 然而， 只要这些技术特征的组合不存 在矛盾， 都应当认为是本说明书记载的范围。 0066 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式， 其描述较为具体和详细， 但并 不能因此而理解为对发明专利范围的限制。 应当指出的是， 对于本领域的普通技术人员来 说， 在不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本发明的保护 范围。 因此， 本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。 说明书 5/5 页 7 CN 111063472 A 7 图1 说明书附图 1/1 页 8 CN 111063472 A 8 。