CN107887070B - 一种基于图案化石墨烯纳米带的电缆及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于图案化石墨烯纳米带的电缆及其制备方法，该电缆自内向外依次设有导电芯、绝缘层、屏蔽层、阻水层和护套，导电芯由多层石墨烯纳米带所制成，多层石墨烯纳米带为经过图案化处理过的石墨烯纳米带，所述屏蔽层、阻水层和护套三者的厚度自内向外依次递增，所述绝缘层的厚度大于屏蔽层与阻水层两者的厚度之和；本发明利用氢原子钝化的图像化石墨烯纳米带，用于导线中的导电芯承担电流的传输，能够有效提高导电芯中载流子的迁移率，大大减小导线的电阻率，从而降低功耗。

Description

一种基于图案化石墨烯纳米带的电缆及其制备方法

技术领域

本发明涉及新材料制备电缆技术领域，尤其涉及一种基于图案化石墨烯纳米带的电缆及其制备方法。

背景技术

电缆通常是由几根或几组导线（每组至少两根）绞合而成的类似绳索的电缆，每组导线之间相互绝缘，并常围绕着一根中心扭成，整个外面包有高度绝缘的覆盖层。多架设在空中或装在地下、水底，用于电讯或电力输送。1832年，退伍军官许林格将电报线路埋在地下，六根导线之间彼此用橡胶绝缘后同放在玻璃管内，这就是世界上最早的一条地下电缆。电缆按其用途可分为电力电缆、通信电缆和控制电缆等。与架空线相比,电缆的优点是线间绝缘距离小,占地空间小，地下敷设而不占地面以上空间，不受周围环境污染影响，送电可靠性高，对人身安全和周围环境干扰小。但造价高，施工、检修均较麻烦，制造也较复杂。因此，电缆多应用于人口密集和电网稠密区及交通拥挤繁忙处；在过江、过河、海底敷设则可避免使用大跨度架空线。在需要避免架空线对通信干扰的地方以及需要考虑美观或避免暴露目标的场合也可采用电缆。

电力电缆产品主要特征是：在导体外挤（绕）包绝缘层，如架空绝缘电缆，或几芯绞合（对应电力***的相线、零线和地线），如二芯以上架空绝缘电缆，或再增加护套层，如塑料/橡套电线电缆。主要的工艺技术有拉制、绞合、绝缘挤出（绕包）、成缆、铠装、护层挤出等，各种产品的不同工序组合有一定区别。产品主要用在发、配、输、变、供电线路中的强电电能传输，通过的电流大（几十安至几千安）、电压高（220V至500kV及以上）。由于用在电力传输方面，在传输过程中能量的损耗成为了主要性能点，人们正在努力的寻找更加节能的电力电缆。

具有原子层厚度的2D材料由于其不同于体材料的优越性质而受到人们的广泛研究，如BN，MoS₂等等。自2004年以来，石墨烯的诞生给很多领域带来了可能。石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料并且具有超高的载流子迁移率和低的电阻率。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为"黑金"，是"新材料之王"，科学家甚至预言石墨烯将"彻底改变21世纪"。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明目的在于提供一种高速低阻，提高导线传输效率，降低损耗，柔韧性好的基于图案化石墨烯纳米带的电缆及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于图案化石墨烯纳米带的电缆，所述的电缆自内向外依次设有导电芯、绝缘层、屏蔽层、阻水层和护套，所述的导电芯由多层石墨烯纳米带所制成，所述的多层石墨烯纳米带为经过图案化处理过的石墨烯纳米带，所述屏蔽层、阻水层和护套三者的厚度自内向外依次递增，所述绝缘层的厚度大于屏蔽层与阻水层两者的厚度之和。

本发明所述的图案化处理石墨烯纳米带指的是采用纳米线氧等离子刻蚀的和探针剥离方法将石墨烯结构进行图案化。相比于超声化学法和切割碳纳米管法，此种方法纳米带的宽度更容易控制且纳米带的宽度可以更窄，并且在形成图案化的纳米带方面更具优势，更容易控制。

本发明所述的石墨烯纳米带为经过图案化和氢钝化处理过的石墨烯纳米带。氢钝化使得石墨烯纳米带边缘悬挂键得到饱和，这样有利于消除边缘效应，使石墨烯的性质更加稳定。并且由图1，4，5，6，7，8可以看到图案化的石墨烯纳米带的能带结构发生了巨大变化，并且出现了本发明所需的狄拉克点。

本发明所述的绝缘层采用聚四氟乙烯制备而成，所述屏蔽层采用的金属铜制备而成，所述的阻水层采用聚乙烯制备而成，所述的护套采用聚氯乙烯制备而成。

本发明提供的一种基于图案化石墨烯纳米带的电缆的制备方法，其制备方法如下：

1）导电芯的制备：以天然石墨为原料，将其进行氧化处理产生氧化石墨烯，经过搅拌、离心、振荡得到氧化石墨烯；在300nm硅片上对氧化石墨烯进行还原；对Si衬底上的石墨烯进行纳米线刻蚀得到相应宽度和图案化的石墨烯纳米带，最后在高温下通入H₂使石墨烯纳米带被H原子钝化，得到石墨烯纳米带所制成的导电芯。

2）绝缘层的制备：以聚四氟乙烯为原料，制备得到圆环形截面的绝缘层；该材料具有良好的耐热和耐低温特性，且抗湿性、耐磨损性、耐腐蚀性很好。

3）屏蔽层的制备：以金属铜为原料，采用铜涂层外加编制铜丝带的结构制备得到圆环形截面的屏蔽层。

4）阻水层的制备：以聚乙烯为原料，制备得到阻水层；该材料水密性比聚氯乙烯高达数百倍具有很好的阻水效果。

5）护套的制备：以聚氯乙烯为原料，制备得到护套；该材料化学稳定性好，抗候性好，具有优良的抗酸碱性能，不导电且具有良好的阻燃性，没有消防顾虑。

6）将步骤1）—5）中制得的导电芯、绝缘层、屏蔽层、阻水层和护套依次包覆和组装起来，得到基于图案化石墨烯纳米带的电缆。

本发明的步骤1）导电芯的制备过程中，氢钝化图像化石墨烯纳米带详细的制备方法如下：

A）将天然石墨装入NaNO₃溶液中并进行冰浴，分别加入浓硫酸和KMnO₄；加热至35℃保持6个小时，加入去离子水并将溶液升温至95-100℃，保持15分钟；向溶液加入去离子水和双氧水；过滤取过滤物用大量超纯水进行清洗，再置于去离子水使用超声处理得到氧化石墨烯溶液；对氧化石墨烯溶液进行离心处理，得到氧化石墨烯；

B) 用Si基板捞出氧化石墨烯的薄膜，放在50-60℃的加热台上烘干，去除氧化石墨烯薄膜与Si基板之间的水分；

C）将步骤B）得到的氧化石墨烯放入高温石英管的低温区域，充入氩气；加热至400℃并持续通入氩气，维持5分钟，将氧化石墨烯拉回到低温区，迅速冷却至室温；得到被还原后的多层石墨烯；

D）得到多层石墨烯后，以所需图案化宽度的二氧化硅纳米线作为刻蚀的掩膜，将二氧化硅纳米线放置在石墨烯的表面上方，对其进行氧等离子刻蚀得到图案化石墨烯纳米带；

E）将步骤D)得到的石墨烯纳米带放入石英管低温区域，通入H₂得到钝化石墨烯纳米带，冷却后取下石墨烯纳米带。

本发明的优点在于：本发明中利用的石墨烯纳米带是石墨烯材料的一种衍生物，其优越的性能可以通过对石墨烯的图案化、钝化进行调整。

本发明的产品对于单层石墨烯纳米带，在特定的石墨烯纳米带图案化：（如图1所述，其中主带的宽度为2.5565纳米，边缘副带宽度为0.8241nm，边缘利用H原子钝化）情况下，能带呈现狄拉克点的特征。其载流子有效质量的理论上为零，且载流子的迁移率理论上为无穷大。利用石墨烯特定图案化纳米带结构具有载流子高迁移率和低电阻率。

本文提出的一种使用图案化石墨烯纳米带垛结构构成的超高速电缆，相比用传统导电芯制造的电缆，该方法制备的电缆能量损耗更少，延展性和强度更好。

本发明的采用多层石墨烯纳米带作为导电电缆的导电芯，能降低电阻率，从而降低功耗；选取的二维材料石墨烯，可以把导电电缆做得很轻很细，且延展性和强度更大；选用图案化的石墨烯纳米带在能带中形成狄拉克点，使得导电芯中的载流子大大提高。

附图说明

图1 为氢钝化图案化石墨烯纳米带的示意图；

图2 为本发明提供的基于图案化石墨烯纳米带的电缆的结构示意图；

图3为本发明提供的基于图案化石墨烯纳米带的电缆的剖面结构示意图；

图4为氢钝化图案化石墨烯纳米带的电子自旋向上能带结构图；

图5为氢钝化图案化石墨烯纳米带的电子自旋向下能带结构图。

图6 为氢钝化非图案化石墨烯纳米带的示意图；

图7为氢钝化非图案化石墨烯纳米带的电子自旋向上结构图。

图8为氢钝化非图案化石墨烯纳米带的电子自旋向上结构图。

其中，图1、图6中的灰色球代表C原子边缘的白色球为氢原子，图4、5、7、8中的G代表能带中的高对称gamma点，Y代表第一布里源区gamma点沿Y方向到第一布里源区边界的高对称路径，E是能带符号单位，单位为eV。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例1：如图2和3所示一种基于图案化石墨烯纳米带的电缆，所述的电缆自内向外依次设有导电芯1、绝缘层2、屏蔽层3、阻水层4和护套5，所述的导电芯1由多层石墨烯纳米带所制成，所述的多层石墨烯纳米带为经过图案化处理过的石墨烯纳米带，所述屏蔽层3、阻水层4和护套5三者的厚度自内向外依次递增，所述绝缘层2的厚度大于屏蔽层3与阻水层4两者的厚度之和。

实施例2：如图2和3所示，一种基于图案化石墨烯纳米带的电缆的制备方法，其制备方法如下：

1）导电芯1的制备：以天然石墨为原料，将其进行氧化处理产生氧化石墨烯，经过搅拌、离心、振荡得到氧化石墨烯；在300nm硅片上对氧化石墨烯进行还原；对Si衬底上的石墨烯进行纳米线刻蚀得到相应宽度和图案化的石墨烯纳米带，最后在高温下通入H₂使石墨烯纳米带被H原子钝化，得到石墨烯纳米带所制成的导电芯。

2）绝缘层2的制备：以聚四氟乙烯为原料，制备得到圆环形截面的绝缘层；该材料具有良好的耐热和耐低温特性，且抗湿性、耐磨损性、耐腐蚀性很好。

3）屏蔽层3的制备：以金属铜为原料，采用铜涂层外加编制铜丝带的结构制备得到圆环形截面的屏蔽层。

4）阻水层4的制备：以聚乙烯为原料，制备得到阻水层；该材料水密性比聚氯乙烯高达数百倍具有很好的阻水效果。

5）护套5的制备：以聚氯乙烯为原料，制备得到护套；该材料化学稳定性好，抗候性好，具有优良的抗酸碱性能，不导电且具有良好的阻燃性，没有消防顾虑。

6）将步骤1）—5）中制得的导电芯1、绝缘层2、屏蔽层3、阻水层4和护套5依次包覆和组装起来，得到基于图案化石墨烯纳米带的电缆。

实施例3：本发明的导电芯的制备过程中，氢钝化图像化石墨烯纳米带详细的制备方法如下：

A）将天然石墨装入NaNO₃溶液中并进行冰浴，分别加入浓硫酸和KMnO₄；加热至35℃保持6个小时，加入去离子水并将溶液升温至95-100℃，保持15分钟；向溶液加入去离子水和双氧水；过滤取过滤物用大量超纯水进行清洗，再置于去离子水使用超声处理得到氧化石墨烯溶液；对氧化石墨烯溶液进行离心处理，得到氧化石墨烯；

B) 用Si基板捞出氧化石墨烯的薄膜，放在50-60℃的加热台上烘干，去除氧化石墨烯薄膜与Si基板之间的水分；

C）将步骤B）得到的氧化石墨烯放入高温石英管的低温区域，充入氩气；加热至400℃并持续通入氩气，维持5分钟，将氧化石墨烯拉回到低温区，迅速冷却至室温；得到被还原后的多层石墨烯；

D）得到多层石墨烯后，以所需图案化宽度的二氧化硅纳米线作为刻蚀的掩膜，将二氧化硅纳米线放置在石墨烯的表面上方，对其进行氧等离子刻蚀得到图案化石墨烯纳米带；

E）将步骤D)得到的石墨烯纳米带放入石英管低温区域，通入H₂得到钝化石墨烯纳米带，冷却后取下石墨烯纳米带。

通过上述方法得到的氢钝化图像化石墨烯纳米带的性能如图1、4和5所示，有三者可知：

经过氢钝化图案化后的石墨烯纳米带能带结构发生了极大变化，特别是在费米能级处产生了狄拉克点的现象。狄拉克点的出现使得材料中的低能带出的费米子（此处为电子）满足无质量的二维狄拉克方程。这种能带描述的电子在静止状态下质量为零，其行为类似于光子，所以在氢钝化的石墨烯纳米带的表面载流子具有很高的迁移率，接近于光速。这就决定了氢钝化石墨烯导电性比常规的铜芯导线要好的多。经实测导电率为10^(-6）Ω/m量级，比现有的铜芯和铝合金芯电缆的导电率要小很多,这使得同等距离压降、电流损耗都降低很多且传播速度快很多。

实施例4：经过上述用氢钝化图案化石墨烯作为导电芯得到的石墨烯在相同荷载电流下，比普通的铜和铝合金导电芯，制造的更加纤细，质量更加轻，电阻率极低使得功耗更小；且传播极大提高约为铜的5倍；石墨烯的柔韧性设强度是最好钢的20倍所以氢钝化石墨烯纳米带导电芯有很好的延展性。

实施例5：将图1、4和5中的氢钝化图案化石墨烯纳米带与图6、7和8中的氢钝化非图案化石墨烯纳米带对比结果可知：

从1图和6图可以看出，图案化后的石墨烯纳米带具有了锯齿状的边缘，这使得边缘同时具有了zigzag和arm-chair的特征，而非图案化的石墨烯纳米带只具有zigzag的特征，这就使得两者的电子特性有了极大的不同。

通过图4、5图案化石墨烯纳米带的能带图和7、8非图案化石墨烯纳米带的能带图对比可知，前者是具有一定带隙的半导体特性，而后者是具有零带隙的导体特性，且后者在费米能级处形成了狄拉克点，从而大大提高了载流子的传输速率。

需要说明的是，上述仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述实施例的基础上所做出的任意组合或等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于图案化石墨烯纳米带的电缆，其特征在于，所述的电缆自内向外依次设有导电芯、绝缘层、屏蔽层、阻水层和护套，所述的导电芯由多层石墨烯纳米带所制成，所述的多层石墨烯纳米带为经过图案化处理过的石墨烯纳米带，所述屏蔽层、阻水层和护套三者的厚度自内向外依次递增，所述绝缘层的厚度大于屏蔽层与阻水层两者的厚度之和；

所述的石墨烯纳米带为经过图案化和氢钝化处理过的石墨烯纳米带；所述的图案化处理石墨烯纳米带指的是采用纳米线氧等离子刻蚀的和探针剥离方法将石墨烯结构进行图案化。

2.如权利要求1所述的基于图案化石墨烯纳米带的电缆，其特征在于，所述的绝缘层采用聚四氟乙烯制备而成，所述屏蔽层采用的金属铜制备而成，所述的阻水层采用聚乙烯制备而成，所述的护套采用聚氯乙烯制备而成。

3.一种如权利要求1或2所述的基于图案化石墨烯纳米带的电缆的制备方法，其特征在于，所述的制备方法如下：

1）导电芯的制备：以天然石墨为原料，将其进行氧化处理产生氧化石墨烯，经过搅拌、振荡、离心得到氧化石墨烯；在300nm的Si基板上对氧化石墨烯进行还原；对Si基板上的石墨烯进行纳米线刻蚀得到相应宽度和图案化的石墨烯纳米带，最后在温度小于400℃的条件下，通入H₂使石墨烯纳米带被H原子钝化，得到石墨烯纳米带所制成的导电芯；

2）绝缘层的制备：以聚四氟乙烯为原料，制备得到圆环形截面的绝缘层；

3）屏蔽层的制备：以金属铜为原料，采用铜涂层外加编制铜丝带的结构制备得到圆环形截面的屏蔽层；

4）阻水层的制备：以聚乙烯为原料，制备得到阻水层；

5）护套的制备：以聚氯乙烯为原料，制备得到护套；

6）将步骤1）-5）中制得的导电芯、绝缘层、屏蔽层、阻水层和护套依次包覆和组装起来，得到基于图案化石墨烯纳米带的电缆。

4.如权利要求3所述的基于图案化石墨烯纳米带的电缆的制备方法，其特征在于，所述的步骤1）导电芯的制备过程中，其制备方法如下：

A）将天然石墨装入NaNO₃溶液中并进行冰浴，分别加入浓硫酸和KMnO₄；加热至35℃保持6个小时，加入去离子水并将溶液升温至95-100℃，保持15分钟；向溶液加入去离子水和双氧水；过滤取过滤物用大量超纯水进行清洗，再置于去离子水使用超声处理得到氧化石墨烯溶液；对氧化石墨烯溶液进行离心处理，得到氧化石墨烯；

B) 用Si基板捞出氧化石墨烯的薄膜，放在50-60℃的加热台上烘干，去除氧化石墨烯薄膜与Si基板之间的水分；

C）将步骤B）得到的氧化石墨烯放入石英管的低温区，温度小于400℃，充入氩气；在高温区加热至400℃并持续通入氩气，维持5分钟，将氧化石墨烯拉回到低温区，迅速冷却至室温；得到被还原后的多层石墨烯；

D）得到多层石墨烯后，以所需图案化宽度的二氧化硅纳米线作为刻蚀的掩膜，将二氧化硅纳米线放置在石墨烯的表面上方，对其进行氧等离子刻蚀得到图案化石墨烯纳米带；

E）将步骤D)得到的石墨烯纳米带放入石英管低温区，温度小于400℃，通入H₂得到钝化石墨烯纳米带，冷却后取下石墨烯纳米带。

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