專(zhuān)利名稱(chēng)：線纜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種線纜，尤其涉及一種基于碳納米管的線纜。
背景技術(shù)：
線纜是電子產(chǎn)業(yè)里較為常用的信號(hào)傳輸線材，微米級(jí)尺寸的線纜更廣泛
應(yīng)用在IT產(chǎn)品、醫(yī)學(xué)儀器、空間設(shè)備中，大直徑的線纜應(yīng)用于電能的傳輸 中。傳統(tǒng)的線纜內(nèi)部設(shè)置有兩個(gè)導(dǎo)體，內(nèi)導(dǎo)體用以傳輸電信號(hào)，外導(dǎo)體用以 屏蔽傳輸?shù)碾娦盘?hào)并且將其封閉在內(nèi)部，從而使線纜具有高頻損耗低、屏蔽 及抗干擾能力強(qiáng)、使用頻帶寬等特性，請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn)"Electromagnetic Shielding of High-Voltage Cables，,(M.De Wulf, P. Wouters et.al" Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 316, e908-e901 (2007》。
一般情況下，線纜從內(nèi)至外的結(jié)構(gòu)依次為形成內(nèi)導(dǎo)體的纜芯、包覆在纜 芯外表面的絕緣介質(zhì)層、形成外導(dǎo)體的屏蔽層和外護(hù)套。其中，纜芯用來(lái)傳 輸電信號(hào)，材料以銅、鋁或銅鋅合金為主。屏蔽層通常由多股金屬線編織或 用金屬薄膜巻覆在絕緣介質(zhì)層外形成，用以屏蔽電磁干擾或無(wú)用外部信號(hào)干 擾。對(duì)于以金屬材料形成的纜芯，最大問(wèn)題在于交變電流在金屬導(dǎo)體中傳輸 時(shí)，各部分的電流密度不均勻，導(dǎo)體內(nèi)部電流密度小，導(dǎo)體表面電流密度大， 這種現(xiàn)象稱(chēng)為趨膚效應(yīng)(Skin Effect)。趨膚效應(yīng)使金屬導(dǎo)體中通過(guò)電流時(shí)的 有效截面積減小，從而使導(dǎo)體的有效電阻變大，導(dǎo)致線纜的傳輸效率降低或 傳輸信號(hào)丟失。另外，以金屬材料作為纜芯及屏蔽層的線纜，其強(qiáng)度較小， 質(zhì)量及直徑較大，無(wú)法滿足某些特定條件，如航天領(lǐng)域、空間設(shè)備及超細(xì)微 線纜的應(yīng)用。
碳納米管是一種新型一維納米材料，其具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能、較高的抗 張強(qiáng)度和較高的熱穩(wěn)定性，在材料科學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等交叉學(xué)科領(lǐng)域已展 現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前，已有將碳納米管與金屬混合形成復(fù)合材料，從 而用來(lái)制造線纜的纜芯。
現(xiàn)有技術(shù)中，含碳納米管的線纜的制造方法一般包括以下步驟提供一熔融金屬基體材料；將碳納米管粉末浸沒(méi)在該熔融金屬基體材料中，形成碳 納米管與金屬基體的混合物；在能使所述熔融金屬基體材料固化的條件下從 該熔融金屬基體材料中拉出許多滲透了熔融金屬基體材料的纖維，形成金屬 基體復(fù)合纜芯；包覆聚合物于所述纜芯的外表面形成絕緣介質(zhì)層；將多股金 屬線直接或通過(guò)編織包覆在絕緣介質(zhì)層外形成屏蔽層或用金屬薄膜巻覆在 絕緣介質(zhì)層外形成屏蔽層；以及包覆一外護(hù)套于所述屏蔽層的外表面。
該方法得到的線纜與釆用純金屬纜芯的線纜相比，具有較強(qiáng)的機(jī)械性 能，及較輕的質(zhì)量，該線纜的導(dǎo)電性也有所提高。然而，該采用金屬基體復(fù) 合碳納米管纜芯的線纜中碳納米管無(wú)序分散在金屬中，該線纜中的碳納米管 無(wú)法發(fā)揮其軸向?qū)щ姷膬?yōu)勢(shì)，仍無(wú)法解決上述金屬纜芯中的趨膚效應(yīng)問(wèn)題。 且釆用混合碳納米管于熔融金屬中后再拉絲的方法制備線纜，該方法較為復(fù) 雜，且成本較高。
綜上所述，確有必要提供一種線纜，該線纜具有良好的導(dǎo)電性能。

發(fā)明內(nèi)容
一種線纜，包括至少一個(gè)纜芯、包覆在纜芯外的至少一個(gè)絕緣介質(zhì)層、 包覆在絕緣介質(zhì)層外的至少一個(gè)屏蔽層和包覆在屏蔽層外的一個(gè)外護(hù)套，其 中，該纜芯包括碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電材料層，該導(dǎo)電材料層包覆于碳納 米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)表面。
與現(xiàn)有技術(shù)比較，本技術(shù)方案釆用包括碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)的纜芯的線纜 具有以下優(yōu)點(diǎn)其一，該線纜的纜芯由導(dǎo)電材料層包裹于碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu) 外表面構(gòu)成，由于碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度及較輕的質(zhì)量因此， 該含有碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)的線纜比采用金屬基體復(fù)合碳納米管纜芯的線纜具 有更高的機(jī)械強(qiáng)度及更輕的質(zhì)量，適合特殊領(lǐng)域，如航天領(lǐng)域及空間設(shè)備的 應(yīng)用。其二，該線纜采用導(dǎo)電材料層及碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)共同形成的纜芯，
由于該碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)具有較高的導(dǎo)電性，因此采用導(dǎo)電材料層及碳納米 管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)共同形成的纜芯比采用金屬基體復(fù)合碳納米管形成的纜芯具有更 好的導(dǎo)電性。其三，該線纜纜芯采用導(dǎo)電材料層及碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)共同組 成，電流在纜芯中傳播，電流傳播有效截面積不變，電流在通過(guò)導(dǎo)電材料層 時(shí)基本不會(huì)產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，從而減少了信號(hào)在線纜中傳輸過(guò)程中的衰減。


圖1是本技術(shù)方案第一實(shí)施例的線纜的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本技術(shù)方案第 一 實(shí)施例的線纜中單根纜芯的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本技術(shù)方案第一實(shí)施例的碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本技術(shù)方案第 一實(shí)施例的束狀碳納米管長(zhǎng)線的掃描電鏡照片。
圖5是本技術(shù)方案第 一 實(shí)施例的絞線狀碳納米管長(zhǎng)線的掃描電鏡照片。
圖6是本技術(shù)方案第 一 實(shí)施例線纜的制造方法的流程圖。
圖7是本技術(shù)方案第 一 實(shí)施例線纜的制造裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是本技術(shù)方案第 一 實(shí)施例碳納米管薄膜的掃描電鏡照片。
圖9是本技術(shù)方案第二實(shí)施例線纜的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖IO是本技術(shù)方案第三實(shí)施例線纜的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本技術(shù)方案實(shí)施例線纜10的結(jié)構(gòu)及其制備方法。
本技術(shù)方案實(shí)施例提供一種線纜，該線纜包括至少一纜芯、包覆在纜芯 外的至少一絕緣介質(zhì)層、包覆在絕緣介質(zhì)層外的至少一 電磁屏蔽層和包覆在 電磁屏蔽層外的至少一外護(hù)套。
請(qǐng)參閱圖1，本技術(shù)方案第一實(shí)施例的線纜IO為同軸線纜，該同軸線纜 包括一個(gè)纜芯120、包覆在纜芯120外的絕緣介質(zhì)層130、包覆在絕緣介質(zhì) 層130外的屏蔽層140和包覆在屏蔽層140外的外護(hù)套150。其中，上述纜 芯120、絕緣介質(zhì)層130、屏蔽層140和外護(hù)套150為同軸設(shè)置。
請(qǐng)參見(jiàn)圖2，所述纜芯120包括導(dǎo)電材料層IIO及一碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu) 100，該導(dǎo)電材料層110包覆于該碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)IOO外表面。具體地， 該導(dǎo)電材料層110包括與碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)IOO表面直接結(jié)合的潤(rùn)濕層112、 設(shè)置在潤(rùn)濕層112外表面的過(guò)渡層113、設(shè)置在過(guò)渡層113外表面的導(dǎo)電層 114以及設(shè)置在導(dǎo)電層114外表面的抗氧化層115。該導(dǎo)電材料層110至少 包括該導(dǎo)電層114,上述潤(rùn)濕層112、過(guò)渡層113、抗氧化層115均為可選結(jié) 構(gòu)。該纜芯120的直徑大于l微米，優(yōu)選地，該纜芯120的直徑為10~30微 米或1厘米 所述碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)100包括至少一碳納米管長(zhǎng)線102。該碳納米管 長(zhǎng)線102的直徑為4.5納米 100微米。請(qǐng)參見(jiàn)圖3，該碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)100 還可以為多個(gè)碳納米管長(zhǎng)線102組成的束狀或絞線狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)該碳納米管長(zhǎng) 線結(jié)構(gòu)IOO的直徑小于100孩i米時(shí)，該一暖納米管結(jié)構(gòu)IOO構(gòu)成的線纜10可 應(yīng)用于信號(hào)傳輸領(lǐng)域。當(dāng)該碳納米管結(jié)構(gòu)100的直徑大于IOO微米時(shí)，該碳 納米管結(jié)構(gòu)IOO構(gòu)成的線纜IO可應(yīng)用于電力傳輸領(lǐng)域。
所述碳納米管長(zhǎng)線102包括由多個(gè)碳納米管組成的束狀或絞線狀結(jié)構(gòu)。 請(qǐng)參見(jiàn)圖4,該束狀結(jié)構(gòu)的碳納米管長(zhǎng)線102包括多個(gè)沿纜芯軸向擇優(yōu)取向 排列的碳納米管束片段，每個(gè)碳納米管束片段具有大致相等的長(zhǎng)度且每個(gè)碳 納米管束片段由多個(gè)相互平行的碳納米管束構(gòu)成，碳納米管束片段兩端通過(guò) 范德華力相互連接，該碳納米管束中包括多個(gè)碳納米管，該多個(gè)碳納米管具 有共同的擇優(yōu)取向排列。在該束狀結(jié)構(gòu)的碳納米管長(zhǎng)線102中，所述碳納米 管沿碳納米管長(zhǎng)線軸向擇優(yōu)取向排列，且該多個(gè)碳納米管通過(guò)范德華力首尾 相連。該束狀結(jié)構(gòu)的碳納米管長(zhǎng)線的直徑為10微米 30微米。
請(qǐng)參見(jiàn)圖5，所述絞線狀結(jié)構(gòu)的碳納米管長(zhǎng)線102包括多個(gè)碳納米管沿 碳納米管長(zhǎng)線軸向螺旋狀排列，且該多個(gè)碳納米管通過(guò)范德華力首尾相連。 該絞線狀碳納米管長(zhǎng)線102的直徑為10微米 30微米。
碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)100中的碳納米管包括單壁碳納米管，雙壁碳納米管 或多壁^ 友納米管，所述單壁^灰納米管的直徑為0.5納米 50納米，雙壁石友納 米管的直徑為l納米 50納米，多壁^友納米管的直徑為1.5納米 50納米。
上述潤(rùn)濕層112的作用為使導(dǎo)電層114與碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)100表面更 好的結(jié)合。形成該潤(rùn)濕層112的材料可以為鎳、鈀或鈦等與碳納米管潤(rùn)濕性 好的金屬或其合金，該潤(rùn)濕層112的厚度為1~10納米。本實(shí)施例中，該潤(rùn) 濕層112的材料為鎳，厚度約為2納米?？梢岳斫猓摑?rùn)濕層112為可選擇 結(jié)構(gòu)。
上述過(guò)渡層113的作用為使?jié)櫇駥?12與導(dǎo)電層114更好的結(jié)合。形成 該過(guò)渡層113的材料可以為金、銀或銅等與潤(rùn)濕層112材料及導(dǎo)電層114材 料均能較好結(jié)合的金屬或其合金，該過(guò)渡層113的厚度為1 10納米。本實(shí) 施例中，該過(guò)渡層113的材料為銅，厚度為2納米?？梢岳斫?，該過(guò)渡層113 為可選擇結(jié)構(gòu)。
7上述導(dǎo)電層114的作用為使纜芯110具有較好的導(dǎo)電性能。形成該導(dǎo)電 層114的材料可以為銅、銀或金等導(dǎo)電性好的金屬或其合金，該導(dǎo)電層114 的厚度為1~20納米。本實(shí)施例中，該導(dǎo)電層114的材料為銀，厚度約為5 納米。
上述抗氧化層115的作用為防止在線纜10的制造過(guò)程中導(dǎo)電層114在 空氣中被氧化，從而使纜芯120的導(dǎo)電性能下降。形成該抗氧化層115的材 料可以為金或鉑等在空氣中不易氧化的穩(wěn)定金屬或其合金，該抗氧化層115 的厚度為1~10納米。本實(shí)施例中，該抗氧化層115的材料為鉑，厚度為2 納米?？梢岳斫?，該抗氧化層115為可選擇結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步地，為提高線纜10的強(qiáng)度，可在該導(dǎo)電材料層110外進(jìn)一步設(shè) 置一強(qiáng)化層116。形成該強(qiáng)化層116的材料可以為聚乙烯醇(PVA)、聚苯撐 苯并二噁唑(PBO)、聚乙烯(PE)或聚氯乙烯(PVC)等強(qiáng)度較高的聚合 物，該強(qiáng)化層116的厚度為0.1-1微米。本實(shí)施例中，該強(qiáng)化層116的材料 為聚乙烯醇(PVA),厚度為0.5微米。可以理解，該強(qiáng)化層116為可選擇結(jié) 構(gòu)。
上述絕緣介質(zhì)層130用于電氣絕緣，可以選用聚四氟乙烯、聚乙烯、聚 丙烯、聚苯乙烯、泡沫聚乙烯組合物或納米粘土 -高分子復(fù)合材料。納米粘 土 -高分子復(fù)合材料中納米粘土是納米級(jí)層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物，是由多種 水合硅酸鹽和一定量的氧化鋁、堿金屬氧化物及堿土金屬氧化物組成，具耐 火阻燃等優(yōu)良特性，如納米高嶺土或納米蒙脫土。高分子材料可以選用硅樹(shù) 脂、聚酰胺、聚烯烴如聚乙烯或聚丙烯等，但并不以此為限。本實(shí)施例絕緣 介質(zhì)層130優(yōu)選泡沫聚乙烯組合物。
上述屏蔽層140由一導(dǎo)電材料形成，用以屏蔽電磁干擾或無(wú)用外部信號(hào) 干擾。具體地，屏蔽層140可由多股金屬線編織或用金屬薄膜巻覆在絕緣介 質(zhì)層130外形成，也可由一碳納米管結(jié)構(gòu)纏繞或巻覆在絕緣介質(zhì)層130外形 成，或可由含有碳納米管的復(fù)合材料直接包覆在絕緣介質(zhì)層130表面。
其中，所述金屬薄膜或金屬線的材料可以選擇為銅、金或銀等導(dǎo)電性好 的金屬或其合金。所述碳納米管結(jié)構(gòu)包括連續(xù)的碳納米管薄膜或碳納米管長(zhǎng) 線。所述含有碳納米管的復(fù)合材料可以為金屬與碳納米管的復(fù)合材料或聚合 物與碳納米管的復(fù)合材料。該聚合物材料可以選擇為聚對(duì)苯二曱酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate, PET )、聚碳酸酯(Polycarbonate, PC )、丙烯腈 —丁二烯丙烯一苯乙烯共聚物(Acrylonitrile誦Butadiene Styrene Terpolymer, ABS )、聚碳酸酯/丙烯腈一丁二烯一苯乙烯共聚物(PC/ABS )等高分子材料。 當(dāng)該復(fù)合材料為聚合物與碳納米管的復(fù)合材料時(shí)，可將碳納米管均勻分散于 上述聚合物材料的溶液中，并將該含碳納米管的聚合物材料的溶液均勻涂覆 于絕緣介質(zhì)層130表面，待冷卻后形成一包括聚合物與碳納米管的屏蔽層 140。進(jìn)一步地，該屏蔽層140還可由上述多種材料在絕緣介質(zhì)層130外組 合構(gòu)成。本技術(shù)方案實(shí)施例采用碳納米管結(jié)構(gòu)組成屏蔽層140,因碳納米管 具有良好的導(dǎo)電性能從而使得該屏蔽層140具有較強(qiáng)的屏蔽效果。
上述外護(hù)套150由絕緣材料制成，可以選用納米粘土 -高分子材料的復(fù) 合材料，其中納米粘土可以為納米高嶺土或納米蒙脫土，高分子材料可以為 硅樹(shù)脂、聚酰胺、聚烯烴如聚乙烯或聚丙烯等，但并不以此為限。本實(shí)施例 外護(hù)套150優(yōu)選納米蒙脫土-聚乙烯復(fù)合材料，其具有良好的機(jī)械性能、耐 火阻燃性能、低煙無(wú)卣性能，不僅可以為線纜10提供保護(hù)，有效抵御機(jī)械、 物理或化學(xué)等外來(lái)?yè)p傷，同時(shí)還能滿足環(huán)境保護(hù)的要求。
所述線纜10由于采用碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)100及導(dǎo)電材料層110作為纜芯 120,其具有以下優(yōu)點(diǎn)其一，該纜芯10中的碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)100包含多個(gè) 有序排列的碳納米管，其具有較輕的質(zhì)量，及較高的機(jī)械強(qiáng)度，因此，該含 有碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)100的線纜10比采用金屬基體復(fù)合碳納米管纜芯的線纜 具有更高的機(jī)械強(qiáng)度及更輕的質(zhì)量，適合特殊領(lǐng)域，如航天領(lǐng)域及空間設(shè)備 的應(yīng)用。其二，在碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)100中，碳納米管有序排列，因此比采用 金屬基體復(fù)合碳納米管形成的纜芯具有更好的導(dǎo)電性。其三，該碳納米管長(zhǎng) 線結(jié)構(gòu)100包括多個(gè)由范德華力首尾相連且擇優(yōu)取向排列的碳納米管，由于碳 納米管為管狀結(jié)構(gòu)，在該碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)100中，電流沿多個(gè)首尾相連的碳 納米管的管壁傳播，電流傳播有效截面積不變，電流在通過(guò)導(dǎo)電材料層時(shí)基 本不會(huì)產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，從而減少了信號(hào)在線纜中傳輸過(guò)程中的衰減。
請(qǐng)參閱圖6及圖7，本技術(shù)方案第一實(shí)施例線纜10的制備方法主要包括 以下步驟
步驟一提供一碳納米管陣列216,優(yōu)選地，該碳納米管陣列216為超 順排碳納米管陣列。
9該碳納米管陣列216為單壁碳納米管陣列，雙壁碳納米管陣列，及多壁 碳納米管陣列中的一種或多種。本實(shí)施例中，該超順排碳納米管陣列的制備 方法采用化學(xué)氣相沉積法，其具體步驟包括(a)提供一平整基底，該基底 可選用P型或N型硅基底，或選用形成有氧化層的硅基底，本實(shí)施例優(yōu)選為 采用4英寸的硅基底；(b)在基底表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材 料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一；(c )將上 述形成有催化劑層的基底在700 卯0。C的空氣中退火約30分鐘~90分鐘；(d) 將處理過(guò)的基底置于反應(yīng)爐中，在保護(hù)氣體環(huán)境下加熱到500~740。C,然后 通入碳源氣體反應(yīng)約5~30分鐘，生長(zhǎng)得到超順排碳納米管陣列，其高度為 200-400微米。該超順排碳納米管陣列為多個(gè)彼此平行且垂直于基底生長(zhǎng)的 碳納米管形成的純碳納米管陣列。通過(guò)上述控制生長(zhǎng)條件，該超順排碳納米 管陣列中基本不含有雜質(zhì)，如無(wú)定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。該超順 排碳納米管陣列中的碳納米管彼此通過(guò)范德華力緊密接觸形成陣列。該超順 排碳納米管陣列的面積與上述基底面積基本相同。
本實(shí)施例中碳源氣可選用乙炔、乙烯、曱烷等化學(xué)性質(zhì)較活潑的碳?xì)浠?合物，保護(hù)氣體為氮?dú)饣蚨栊詺怏w。本實(shí)施例優(yōu)選的碳源氣為乙炔，優(yōu)選的 保護(hù)氣體為氬氣。
步驟二采用一拉伸工具從所述碳納米管陣列216中拉取獲得一有序碳 納米管結(jié)構(gòu)214。
所述有序碳納米管結(jié)構(gòu)214的制備方法包括以下步驟(a)從上述碳納 米管陣列216中選定一定寬度的多個(gè)碳納米管束片段，本實(shí)施例優(yōu)選為采用 具有一定寬度的膠帶或一針尖接觸碳納米管陣列216以選定一定寬度的多個(gè) 碳納米管束片段；(b)以一定速度沿基本垂直于碳納米管陣列216生長(zhǎng)的方 向拉伸該多個(gè)碳納米管束片段，以形成一連續(xù)的有序碳納米管結(jié)構(gòu)214。
在上述拉伸過(guò)程中，該多個(gè)碳納米管束片段在拉力作用下沿拉伸方向逐 漸脫離基底的同時(shí)，由于范德華力作用，該選定的多個(gè)碳納米管束片段分別 與其它碳納米管束片段首尾相連地連續(xù)地被拉出，從而形成一有序碳納米管 結(jié)構(gòu)214。該有序碳納米管結(jié)構(gòu)214包括多個(gè)首尾相連且定向排列的碳納米 管束。該有序碳納米管結(jié)構(gòu)214中碳納米管的排列方向基本平行于有序碳納 米管結(jié)構(gòu)214的4i伸方向。該有序碳納米管結(jié)構(gòu)214為一碳納米管薄膜或一碳納米管長(zhǎng)線。具體地， 當(dāng)所選定的多個(gè)碳納米管束片段的寬度較大時(shí)，所獲得的有序碳納米管結(jié)構(gòu) 214為一碳納米管薄膜，其微觀結(jié)構(gòu)請(qǐng)參閱圖8;當(dāng)所選定的多個(gè)碳納米管 束片段的寬度較小時(shí)，所獲得的有序碳納米管結(jié)構(gòu)214即為一碳納米管長(zhǎng)線。
該直接拉伸獲得的有序碳納米管結(jié)構(gòu)214的厚度均勻，碳納米管在該碳 納米管結(jié)構(gòu)214中均勻分布。該直接拉伸獲得有序碳納米管結(jié)構(gòu)214的方法 簡(jiǎn)單快速，適宜進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用。
步驟三對(duì)上述有序碳納米管結(jié)構(gòu)214進(jìn)行機(jī)械處理，得到一碳納米管 長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)100。
當(dāng)上述有序碳納米管結(jié)構(gòu)214為一寬度較大的碳納米管薄膜時(shí)，對(duì)其進(jìn) 行機(jī)械處理,人而得到一石友納米管長(zhǎng)線的步驟可以通過(guò)以下三種方式實(shí)現(xiàn)對(duì) 所述有序碳納米管結(jié)構(gòu)214進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，形成絞線狀碳納米管長(zhǎng)線；切割所述 有序碳納米管結(jié)構(gòu)214,形成束狀碳納米管長(zhǎng)線；將有序碳納米管結(jié)構(gòu)214 經(jīng)過(guò)一有機(jī)溶劑浸潤(rùn)處理后收縮成為 一束狀碳納米管長(zhǎng)線。
對(duì)所述有序碳納米管結(jié)構(gòu)214進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，形成碳納米管長(zhǎng)線的步驟可通 過(guò)以下兩種方式實(shí)現(xiàn)其一，通過(guò)將粘附于上述有序碳納米管結(jié)構(gòu)214—端 的拉伸工具固定于一旋轉(zhuǎn)電機(jī)上，扭轉(zhuǎn)該有序碳納米管結(jié)構(gòu)214，從而形成 一碳納米管長(zhǎng)線。其二，提供一個(gè)尾部可以粘住有序碳納米管結(jié)構(gòu)214的紡 紗軸，將該紡紗軸的尾部與有序碳納米管結(jié)構(gòu)214結(jié)合后，使該紡紗軸以旋 轉(zhuǎn)的方式扭轉(zhuǎn)該有序碳納米管結(jié)構(gòu)214,形成一碳納米管長(zhǎng)線?？梢岳斫猓?上述紡紗軸的旋轉(zhuǎn)方式不P艮，可以正轉(zhuǎn)，可以反轉(zhuǎn)，或者正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)相結(jié)合。 優(yōu)選地，所述扭轉(zhuǎn)該有序碳納米管結(jié)構(gòu)214的步驟為將所述有序碳納米管結(jié) 構(gòu)214沿有序石炭納米管結(jié)構(gòu)214的拉伸方向以螺旋方式扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)后所形成 的碳納米管長(zhǎng)線為一絞線結(jié)構(gòu)，其掃描電鏡照片請(qǐng)參見(jiàn)圖5。
所述切割有序碳納米管結(jié)構(gòu)214，形成碳納米管長(zhǎng)線的步驟為沿有序 碳納米管結(jié)構(gòu)214的拉伸方向切割所述有序碳納米管結(jié)構(gòu)214,形成多個(gè)碳 納米管長(zhǎng)線。
有序碳納米管結(jié)構(gòu)214經(jīng)過(guò)一有機(jī)溶劑浸潤(rùn)處理后收縮獲得的碳納米管 長(zhǎng)線為束狀結(jié)構(gòu)，其掃描電鏡照片請(qǐng)參見(jiàn)圖4。所述有機(jī)溶劑為揮發(fā)性有機(jī) 溶劑。所述揮發(fā)性有機(jī)溶劑選自乙醇、曱醇、丙酮、二氯乙烷及氯仿，本實(shí)施例中該揮發(fā)性有機(jī)溶劑優(yōu)選乙醇。當(dāng)碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)100包括一個(gè)碳納米管長(zhǎng)線時(shí)，上述方法得到的碳 納米管長(zhǎng)線即為一碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)100。當(dāng)碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)100包括多個(gè)碳納米管長(zhǎng)線時(shí)，上述多個(gè)碳納米管長(zhǎng)線可進(jìn)一步平行排列成束或相互纏繞扭轉(zhuǎn)，以形成一包括多個(gè)碳納米管長(zhǎng)線的碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)100?？梢岳斫猓炯夹g(shù)方案并不限于上述方法獲得碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)100, 只要能使所述有序碳納米管結(jié)構(gòu)214形成碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)100的方法都在 本技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。步驟四形成至少一導(dǎo)電材料層110于上述碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)100表面， 得到一纜芯120。本實(shí)施例采用物理氣相沉積法(PVD)，如真空蒸鍍法或離子濺射法或 電鍍法等方法沉積導(dǎo)電材料層110。優(yōu)選地，本實(shí)施例采用真空蒸鍍法形成 至少一層導(dǎo)電材料層110。所述采用真空蒸鍍法形成至少一層導(dǎo)電材料層110的過(guò)程包括以下步 驟首先，提供一真空容器210,該真空容器210具有至少一沉積區(qū)，該沉 積區(qū)底部和頂部分別放置至少一個(gè)蒸發(fā)源212，該至少一個(gè)蒸發(fā)源212按形 成至少一層導(dǎo)電材料層的先后順序依次沿有序碳納米管結(jié)構(gòu)214的拉伸方向 設(shè)置，且每個(gè)蒸發(fā)源212均可通過(guò)一個(gè)加熱裝置(圖未示)加熱。上述碳納 米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)IOO設(shè)置于上下蒸發(fā)源212中間并與其間隔一定距離，其中碳 納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)IOO正對(duì)上下蒸發(fā)源212設(shè)置。該真空容器210可通過(guò)外接 一真空泵(圖未示)抽氣達(dá)到預(yù)定的真空度。所述蒸發(fā)源212材料為待沉積 的導(dǎo)電材料。其次，通過(guò)加熱所述蒸發(fā)源212，使其熔融后蒸發(fā)或升華形成 導(dǎo)電材料蒸汽，該導(dǎo)電材料蒸汽遇到冷的碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)IOO后，在碳納 米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)IOO上下表面凝聚，形成導(dǎo)電材料層。由于碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu) 100表面的碳納米管之間存在間隙，導(dǎo)電材料可以滲透進(jìn)入碳納米管長(zhǎng)線結(jié) 構(gòu)100表面碳納米管之間的間隙中，從而4艮好的沉積在碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu) 100的表面?？梢岳斫?，通過(guò)調(diào)節(jié)碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)IOO和每個(gè)蒸發(fā)源212的距離以 及蒸發(fā)源212之間的距離，可使每個(gè)蒸發(fā)源212具有一個(gè)沉積區(qū)。當(dāng)需要沉12積多層導(dǎo)電材料層120時(shí)，可將多個(gè)蒸發(fā)源212同時(shí)加熱，使碳納米管長(zhǎng)線 結(jié)構(gòu)IOO連續(xù)通過(guò)多個(gè)蒸發(fā)源的沉積區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)沉積多層導(dǎo)電材料層110。 為提高導(dǎo)電材料蒸汽密度并且防止導(dǎo)電材料被氧化，真空容器210內(nèi)真 空度應(yīng)達(dá)到1巾自(Pa)以上。本技術(shù)方案實(shí)施例中，真空容器210中的真空 度為4xl0-4pa。本技術(shù)方案實(shí)施例中，所述釆用真空蒸鍍法形成至少一導(dǎo)電材料層110 的方法具體包括以下步驟形成一層潤(rùn)濕層112于所述碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu) IOO表面；形成一層過(guò)渡層113于所述潤(rùn)濕層112的外表面；形成一層導(dǎo)電 層114于所述過(guò)渡層113的外表面；形成一層抗氧化層115于所述導(dǎo)電層114 的外表面。其中，上述形成潤(rùn)濕層112、過(guò)渡層113及抗氧化層115的步驟 均為可選擇的步驟。具體地，可將上述碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)IOO連續(xù)地通過(guò)上 述各層材料所形成的蒸發(fā)源212的沉積區(qū)。通過(guò)上述步驟，可在碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)IOO表面形成至少一導(dǎo)電材料層 110,從而得到線纜10的纜芯120。所制得的纜芯120可進(jìn)一步收集在一第 一巻筒224上。收集方式為將纜芯120纏繞在所述第一巻筒224上。另外，在所述形成至少一層導(dǎo)電材料層110于所述碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu) IOO表面之后，可進(jìn)一步包括在所述碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)IOO表面形成強(qiáng)化層 116的步驟。所述形成強(qiáng)化層116的過(guò)程具體包括以下步驟將形成有至少 一層導(dǎo)電材料層IIO的碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)IOO通過(guò)一裝有聚合物溶液的裝置 220，使聚合物溶液浸潤(rùn)整個(gè)碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)100,該聚合物溶液通過(guò)分子 間作用力粘附于所述至少一個(gè)導(dǎo)電材料層IIO的外表面；以及凝固聚合物， 形成一強(qiáng)化層116。步驟五形成至少一絕緣介質(zhì)層130于所述纜芯120的外表面。所述絕緣介質(zhì)層130可通過(guò)一第一擠壓裝置230包覆在所述纜芯120的 外表面，該第一擠壓裝置230將聚合物熔體組合物涂覆在所述纜芯120的表 面。本技術(shù)方案實(shí)施例中，所述聚合物熔體組合物優(yōu)選為泡沫聚乙烯組合物。一旦纜芯120離開(kāi)所述第一擠壓裝置230，聚合物熔體組合物因壓力減小而 發(fā)生膨脹，從而形成絕緣介質(zhì)層130于所述纜芯120的外表面。當(dāng)所述絕緣介質(zhì)層130為兩層或兩層以上時(shí)，可重復(fù)上述步驟。 步驟六形成至少一屏蔽層140于所述絕緣介質(zhì)層130的外表面。13提供一屏蔽帶242,該屏蔽帶242由一第二巻筒244提供。將該屏蔽帶 242圍繞絕緣介質(zhì)層130巻覆，以便形成屏蔽層140。屏蔽帶242可選用一 金屬薄膜、碳納米管結(jié)構(gòu)或金屬線等線狀結(jié)構(gòu)。另外，所述屏蔽帶242也可 由上述多種材料形成的編織層共同組成，并通過(guò)粘結(jié)劑粘結(jié)或直接纏繞在所 述絕緣介質(zhì)層130外表面。本技術(shù)方案實(shí)施例中，所述屏蔽層140由多個(gè)碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)組成， 該碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)直接或編織成網(wǎng)狀纏繞在所述絕緣介質(zhì)層外。每個(gè)碳納 米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)包括多個(gè)從碳納米管陣列拉出的碳納米管束片段，每個(gè)碳納米 管束片段具有大致相等的長(zhǎng)度且每個(gè)碳納米管束片段由多個(gè)相互平行的碳 納米管束構(gòu)成，其中，碳納米管束片段兩端通過(guò)范德華力相互連接。本技術(shù) 方案實(shí)施例采用碳納米管結(jié)構(gòu)組成屏蔽層140，因碳納米管具有良好的導(dǎo)電 性能從而使得該屏蔽層140具有較強(qiáng)的屏蔽效果。優(yōu)選地，所述帶狀膜結(jié)構(gòu)的屏蔽帶242繞纜芯120軸向進(jìn)行纏繞包裹， 以便完全屏蔽纜芯120。所述碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)或金屬線等線狀結(jié)構(gòu)的屏蔽 帶242可直接或編織成網(wǎng)狀纏繞在所述絕緣介質(zhì)層130的外表面。具體地， 所述多根碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)或金屬線可通過(guò)多個(gè)繞線架246沿不同的螺旋方 向巻繞在所述絕緣介質(zhì)層130的外表面?？梢岳斫猓?dāng)所述屏蔽層140為兩層或兩層以上結(jié)構(gòu)時(shí)，可重復(fù)上述步驟。步驟七形成一外護(hù)套150于所述屏蔽層140的外表面。 所述外護(hù)套150可通過(guò)一第二擠壓裝置250包覆到所述屏蔽層140外表 面，該第二擠壓裝置250將聚合物熔體組合物涂覆在屏蔽層140的表面，所 述聚合物熔體圍繞在所述屏蔽層140的外表面被擠壓，冷卻后形成外護(hù)套 150。本實(shí)施例形成外護(hù)套150的聚合物熔體優(yōu)選納米蒙脫土-聚乙烯復(fù)合 材料，其具有良好的機(jī)械性能、耐火阻燃性能、低煙無(wú)囟性能，不僅可以為 線纜10提供保護(hù)，有效抵御機(jī)械、物理或化學(xué)等外來(lái)?yè)p傷，同時(shí)還能滿足 環(huán)境保護(hù)的要求。進(jìn)一步地，可將所制造的線纜IO收集在一第三巻筒260上，以便于儲(chǔ) 存和裝運(yùn)。請(qǐng)參閱圖9,本技術(shù)方案第二實(shí)施例提供一種線纜30，包括多個(gè)纜芯320(圖9中共顯示七個(gè)纜芯)、每一纜芯320外覆蓋一個(gè)絕緣介質(zhì)層330、包覆 在多個(gè)纜芯320外的一個(gè)屏蔽層340和一個(gè)包覆在屏蔽層340外表面的外護(hù) 套350。屏蔽層340和絕緣介質(zhì)層330的間隙內(nèi)可填充絕緣材料。其中，每 個(gè)纜芯320及絕緣介質(zhì)層330、屏蔽層340和外護(hù)套350的結(jié)構(gòu)、材料及制 備方法與第一實(shí)施例中的纜芯120、絕緣介質(zhì)層130、屏蔽層140和外護(hù)套 150的結(jié)構(gòu)、材料及制備方法基本相同。請(qǐng)參閱圖10,本技術(shù)方案第三實(shí)施例提供一種線纜40包括多個(gè)纜芯420(圖10中共顯示五個(gè)纜芯)、每一纜芯420外覆蓋一個(gè)絕緣介質(zhì)層430和一 個(gè)屏蔽層440、以及包覆在多個(gè)纜芯420外表面的外護(hù)套450。屏蔽層440 的作用在于對(duì)各個(gè)纜芯440進(jìn)行單獨(dú)的屏蔽，這樣不僅可以防止外來(lái)因素對(duì) 纜芯420內(nèi)部傳輸?shù)碾娦盘?hào)造成干擾而且可以防止各纜芯420內(nèi)傳輸?shù)牟煌?電信號(hào)間相互發(fā)生干擾。其中，每個(gè)纜芯420、絕緣介質(zhì)層430、屏蔽層440 和外護(hù)套450的結(jié)構(gòu)、材料及制備方法與第一實(shí)施例中的纜芯120、絕緣介 質(zhì)層130、屏蔽層140和外護(hù)套150的結(jié)構(gòu)、材料及制備方法基本相同。本技術(shù)方案實(shí)施例提供的包括碳納米管長(zhǎng)線及導(dǎo)電材料層的纜芯的制 備方法具有以下優(yōu)點(diǎn)其一，由于碳納米管長(zhǎng)線是通過(guò)對(duì)碳納米管薄膜進(jìn)行 旋轉(zhuǎn)或直接從碳納米管陣列中拉取而制造，該方法簡(jiǎn)單、成本較低。其二， 所述從碳納米管陣列中拉取獲得有序碳納米管結(jié)構(gòu)的步驟及形成至少一層 導(dǎo)電材料層的步驟均可在一真空容器中進(jìn)行，有利于纜芯的規(guī)模化生產(chǎn)，從而有利于線纜的規(guī)模化生產(chǎn)。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)作其它變化，當(dāng)然這些依據(jù)本發(fā)明精神所作的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。1權(quán)利要求
1.一種線纜，包括至少一個(gè)纜芯、包覆在纜芯外的至少一個(gè)絕緣介質(zhì)層、包覆在絕緣介質(zhì)層外的至少一個(gè)屏蔽層和包覆在屏蔽層外的一個(gè)外護(hù)套，其特征在于，該纜芯包括碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電材料層，該導(dǎo)電材料層包覆在碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)的外表面。
2. 如權(quán)利要求l所述的線纜，其特征在于，所述碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)包括至少 一碳納米管長(zhǎng)線。
3. 如權(quán)利要求2所述的線纜，其特征在于，所述碳納米管長(zhǎng)線包括多個(gè)沿其 軸向擇優(yōu)取向排列的碳納米管。
4. 如權(quán)利要求2所述的線纜，其特征在于，所述碳納米管長(zhǎng)線包括多個(gè)沿其 軸向螺旋狀排列的碳納米管。
5. 如權(quán)利要求3或4所述的線纜，其特征在于，所述碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)中的 碳納米管包括單壁碳納米管，雙壁碳納米管或多壁碳納米管，所述單壁碳納 米管的直徑為0.5納米~50納米，雙壁碳納米管的直徑為1納米~50納米， 多壁碳納米管的直徑為1.5納米 50納米。
6. 如權(quán)利要求2所述的線纜，其特征在于，所述碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)包括多個(gè) 相互纏繞或平行成束的碳納米管長(zhǎng)線。
7. 如權(quán)利要求l所述的線纜，其特征在于，所述碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)的直徑大 于4.5納米。
8. 如權(quán)利要求l所述的線纜，其特征在于，所述導(dǎo)電材料層至少包括一導(dǎo)電 層。
9. 如權(quán)利要求8所述的線纜，其特征在于，所述導(dǎo)電層的材料為銅、銀、金 或其合金，且厚度為1納米 20納米。
10. 如權(quán)利要求8所述的線纜，其特征在于，所述纜芯進(jìn)一步包括一潤(rùn)濕層 設(shè)置于所述導(dǎo)電層與碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)之間，所述潤(rùn)濕層的材料為鎳、把、 鈦或者其合金，厚度為1納米 10納米。
11. 如權(quán)利要求IO所述的線纜，其特征在于，所述纜芯進(jìn)一步包括一過(guò)渡層 設(shè)置于所述導(dǎo)電層與潤(rùn)濕層之間，所述過(guò)渡層的材料為銅、銀或者其合金， 厚度為1納米 10納米。
12. 如權(quán)利要求8所述的線纜，其特征在于，所述纜芯進(jìn)一步包括一抗氧化 層設(shè)置于所述導(dǎo)電層外表面，所述抗氧化層的材料為金、鉑或者其合金，厚 度為1納米 10納米。
13. 如權(quán)利要求12所述的線纜，其特征在于，所述纜芯進(jìn)一步包括一強(qiáng)化層 設(shè)置于所述抗氧化層外表面，所述強(qiáng)化層的材料為聚乙烯醇、聚苯撐苯并二 。惡唑、聚乙烯或聚氯乙烯，厚度為0.1微米~1微米。
14. 如權(quán)利要求l所述的線纜，其特征在于，所述的線纜為同軸線纜，該同 軸線纜包括由內(nèi)至外同軸依次設(shè)置的一個(gè)纜芯、包覆纜芯外表面的一個(gè)絕緣 介質(zhì)層、包覆絕緣介質(zhì)層外表面的一個(gè)屏蔽層和包覆屏蔽層外表面的一個(gè)外 護(hù)套。
15. 如權(quán)利要求l所述的線纜，其特征在于，所述的線纜包括多個(gè)纜芯、多 個(gè)分別包覆在每一個(gè)纜芯外的絕緣介質(zhì)層、包覆在多個(gè)絕緣介質(zhì)層外的一個(gè) 屏蔽層和包覆在屏蔽層外的一個(gè)外護(hù)套。
16. 如權(quán)利要求l所述的線纜，其特征在于，所述的線纜包括多個(gè)纜芯、多 個(gè)分別包覆在每一個(gè)纜芯外的絕緣介質(zhì)層、多個(gè)分別包覆在每一個(gè)絕緣介質(zhì) 層外的屏蔽層和包覆在多個(gè)屏蔽層外的一個(gè)外護(hù)套。
全文摘要
一種線纜，包括至少一個(gè)纜芯、包覆在纜芯外的至少一個(gè)絕緣介質(zhì)層、包覆在絕緣介質(zhì)層外的至少一個(gè)屏蔽層和包覆在屏蔽層外的一個(gè)外護(hù)套，其中，該纜芯包括碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電材料層，該導(dǎo)電材料層包覆于碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)表面。
文檔編號(hào)H01B7/00GK101556839SQ200810066299
公開(kāi)日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2008年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月9日
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