CN111161903B - 石墨烯铝复合导线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯铝复合导线，为芯壳结构，所述芯壳结构由内至外包括铝基体、围绕所述铝基体设置的中间金属层以及围绕所述中间金属层设置的石墨烯层，所述中间金属层中的金属为铜和镍中的一种或两种。本发明还公开了一种石墨烯铝复合导线的制备方法，包括：在所述铝基体表面形成所述中间金属层，所述中间金属层将所述铝基体包裹得到双层结构；以及采用等离子体化学气相沉积法在所述中间金属层上形成所述石墨烯层。

Description

石墨烯铝复合导线及其制备方法
技术领域
本发明涉及导线技术领域，特别是涉及一种石墨烯铝复合导线及其制备方法。
背景技术
目前国内外较常用的高架高压输电导线包括铜导线和铝基体。与铝基体相比，铜导线的导电性好，强度高。但是，铜导线的成本较高，且铜属于战略资源，而铝资源丰富，分布广泛，成本低。近年来，随着高架高压输电线的悬挂跨度越来越大，对铝基体电缆的性能提出了更高的要求。
石墨烯具有较高强度和良好的导电性，因此将其与纯铝或铝复合材料复合，制备成石墨烯/铝合金复合材料，可望用来改善铝电缆的强度和导电性，使铝基体的力学性能和电气性能得到更好的匹配。石墨烯在铝基体中的均匀分布成为石墨烯铝复合材料制备过程中最大的难点，这严重影响到石墨烯的增强作用，粉末冶金法中将石墨烯粉末分布在铝基体内部，能够发挥石墨烯的力学性能增强优势，但是对于导电性能却无法有效提升。并且采用粉末冶金法制备石墨烯铝复合材料中，由于石墨烯较大的比表面积，其在铝基体中很容易发生团聚现象，在粉末冶金工艺采用的机械球磨只是将增强相和基体相的粉末均匀地混合在一起，粉体间很难在球磨过程中就形成界面结合，从而影响石墨烯铝复合材料的整体导电性。
发明内容
基于此，有必要针对传统方法制备的石墨烯铝复合材料的导电性差的技术问题，提供一种石墨烯铝复合导线及其制备方法。
一种石墨烯铝复合导线，为芯壳结构，所述芯壳结构由内至外包括铝基体、围绕所述铝基体设置的中间金属层以及围绕所述中间金属层设置的石墨烯层，所述中间金属层中的金属为铜和镍中的一种或两种。
在其中一个实施例中，所述铝基体为圆柱形。
在其中一个实施例中，所述铝基体为实心结构。
在其中一个实施例中，所述铝基体的直径为0.4mm～1mm。
在其中一个实施例中，所述中间金属层的厚度为0.1μm～10μm。
在其中一个实施例中，所述石墨烯层的厚度为0.334nm～3nm。
一种所述的石墨烯铝复合导线的制备方法，包括：
在所述铝基体表面形成所述中间金属层，所述中间金属层将所述铝基体包裹得到双层结构；以及
采用等离子体化学气相沉积法在所述中间金属层上形成所述石墨烯层。
在其中一个实施例中，形成所述中间金属层的方法为电镀法或磁控溅射法。
在其中一个实施例中，在所述中间金属层上形成所述石墨烯层的步骤包括：
在真空和等离子体氛围下，通入工作气体并带入气态碳源；
于450℃～400℃下在所述中间金属层上形成所述石墨烯层。
在其中一个实施例中，所述工作气体包括氢气，以及任选的惰性气体和氮气中的一种或多种。
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。
在其中一个实施例中，所述工作气体的通入量为100sccm～300sccm，所述气态碳源的通入量为5sccm～30sccm。
本发明的所述石墨烯铝复合导线通过在铝基体和石墨烯层之间设置中间金属层，引入铜或镍作为中间金属，起到过渡作用，能够提高石墨烯在铝基体上的结合性，提高各层的晶格匹配，使得各层之间的晶格失配率降低，从而能够形成连续的结构，进一步提高石墨烯铝复合导线的导电性和力学性能。
附图说明
图1为本发明一实施例的石墨烯铝复合导线的结构示意图。
具体实施方式
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。
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。
请参阅图1，本发明实施例提供一种石墨烯铝复合导线，为芯壳结构，所述芯壳结构由内至外包括铝基体10、围绕所述铝基体10设置的中间金属层20以及围绕所述中间金属层20设置的石墨烯层30，所述中间金属层20中的金属为铜和镍中的一种或两种。
本发明实施例的所述石墨烯铝复合导线通过在铝基体10和石墨烯层30之间设置中间金属层20，引入铜或镍作为中间金属，起到过渡作用，能够提高石墨烯在铝基体10上的结合性，提高各层的晶格匹配，使得各层之间的晶格失配率降低，从而能够形成连续的结构，进一步提高石墨烯铝复合导线的导电性和力学性能。
在一实施例中，所述铝基体10为柱形，例如可以为方形柱或圆柱形。优选的，铝基体10为圆柱形，圆柱形更符合导线的常规形状，圆柱形的弧形外表面更有利于石墨烯或中间金属的沉积且有利于形成均一且连续的石墨烯层30。
在一实施例中，所述铝基体10为实心结构，使得石墨烯铝复合导线为实心结构，实心结构为石墨烯铝复合导线提供更加稳定的导电性和更强的力学性能。
在一实施例中，所述铝基体10的直径可以为0.4mm～1mm。在一实施例中，所述中间金属层20的厚度可以为0.1μm～10μm。在一实施例中，石墨烯层30为二维石墨烯，从而可以保持石墨烯的六角型呈蜂巢晶格。在一实施例中，所述石墨烯层30的厚度可以为0.334nm～3nm。各层在该尺寸范围内，能够相互配合，兼具各层的晶格的共格率、整体石墨烯铝复合导线的导电性和力学性能。
在一实施例中，所述中间金属层20与所述石墨烯层30形成超晶格结构。优选的，所述中间金属层20与所述石墨烯层30的界面的晶格匹配率可达到85％及以上。
本发明实施例还提供一种所述的石墨烯铝复合导线的制备方法，包括：
S100，在所述铝基体10表面形成所述中间金属层20，所述中间金属层20将所述铝基体10包裹得到双层结构；以及
S200，采用等离子体化学气相沉积法在所述中间金属层20上形成所述石墨烯层30。
步骤S100中，形成所述中间金属层20的方法可以为电镀法或磁控溅射法。电镀法为利用电解作用在铝基体10表面上镀中间金属薄层的过程，电镀时，镀层金属(即中间层金属)做阳极，待镀的工件(即铝基体10)做阴极，镀层金属的阳离子在待镀工件表面被还原形成镀层。为排除其它阳离子的干扰，且使镀层均匀、牢固，需用含镀层金属阳离子的溶液做电镀液，以保持镀层金属阳离子的浓度不变。磁控溅射法为在高真空中充入适量的氩气，在阴极(中间金属层20的金属作为阴极材料)和阳极之间施加直流电压，在镀膜室内产生磁控型异常辉光放电，使氩气发生电离。氩离子被阴极加速并轰击阴极表面，将阴极表面原子溅射出来沉积在铝基体10表面上形成中间金属层20。
在一实施例中，采用电镀法形成中间金属层20的电镀液可包括浓度为30g/L～40g/L的硫酸镍，20g/L～30g/L的次亚磷酸钠及25mg/L～35g/L的乳酸。在一实施例中，电镀的温度可以为45℃～65℃。或者电镀液可包括浓度为30g/L～40g/L的硫酸铜，20g/L～30g/L的次亚磷酸钠及25mg/L～35g/L的乳酸。
步骤S200中，形成所述石墨烯层30的步骤可在真空管式炉中进行，该真空管式炉中可设有等离子体装置。
在一实施例中，可将铝基体10和中间金属层20形成的双层结构在真空管式炉中设置为卷绕状，在真空管式炉外对已形成石墨烯层30的石墨烯铝复合导线进行匀速抽拉，卷绕状另一端未形成石墨烯层30的双层结构便会从真空管式炉的另一端被拉进真空管式炉内部进行石墨烯生长，从而能够更容易控制的石墨烯层30的形成厚度。
在一实施例中，在所述中间金属层20上形成所述石墨烯层30的步骤可包括：
在真空和等离子体氛围下，通入工作气体并带入气态碳源；
于450℃～400℃下在所述中间金属层20上形成所述石墨烯层30。
在一实施例中，所述工作气体包括氢气，以及任选的惰性气体和氮气中的一种或多种。
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。
在一实施例中，所述工作气体的通入量为100sccm～300sccm，所述气态碳源的通入量为5sccm～30sccm。
实施例1
按照硫酸镍35g/L，次亚磷酸钠25g/L，乳酸30mg/L的配方配置电镀液，在60℃下，将用酒精在100Hz下超声清洗1h的铝基体10放入电镀液中，40min后取出，铝基体10表面形成中间金属层20，得到双层结构。铝基体10直径为0.5mm。
将双层结构放入真空管式炉中，升温到500℃，打开等离子体，甲烷通入量为5sccm，氢气通入量为100sccm，氩气通入量为200sccm，逐渐在中间金属层20上形成石墨烯层30，得到石墨烯铝复合导线。
从真空管式炉的末端对形成石墨烯层30的石墨烯铝复合导线缓慢向外拉动，保证双层结构在管式炉加热区内通过的时间为10min以上。
将生长完石墨烯的石墨烯层30的石墨烯铝复合导线收集起来并进行绞合处理。
实施例2
按照硫酸铜30g/L，次亚磷酸钠20g/L，乳酸35mg/L的配方配置电镀液，在60℃下，将用酒精在100Hz下超声清洗1h的铝基体10放入电镀液中，40min后取出，铝基体10表面形成中间金属层20，得到双层结构。铝基体10直径为0.5mm。
将双层结构放入真空管式炉中，升温到450℃，打开等离子体，气态乙醇通入量为20sccm，氢气通入量为50sccm，氩气通入量为100sccm，逐渐在中间金属层20上形成石墨烯层30，得到石墨烯铝复合导线。
从真空管式炉的末端对形成石墨烯层30的石墨烯铝复合导线缓慢向外拉动，保证双层结构在管式炉加热区内通过的时间为10min以上。
将生长完石墨烯的石墨烯层30的石墨烯铝复合导线收集起来并进行绞合处理。
对比例1
对比例1与实施例1基本相同，区别仅在于将硫酸镍的浓度改为50g/L。
对比例2
对比例2与实施例1基本相同，区别仅在于不对铝基体10进行电镀，直接生长石墨烯层30。
将实施例1-2和对比例1-2的石墨烯铝复合导线裁剪成400mm的线材，进行拉伸实验，拉伸速率为0.5mm/min，并进行导电性测试，结果如表1所示。
表1
组别 抗拉强度/MPa 导电性/％IACS
实施例1 245.89 40.41
实施例2 234.59 40.44
对比例1 225.54 55.14
对比例2 204.52 50.24
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。
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。

Claims (4)

1.一种石墨烯铝复合导线的制备方法，包括：
在铝基体表面形成中间金属层，所述中间金属层将所述铝基体包裹得到双层结构，所述中间金属层中的金属为镍，形成所述中间金属层的方法为电镀法或磁控溅射法；以及
采用等离子体化学气相沉积法在所述中间金属层上形成石墨烯层，包括：
在真空和等离子体氛围下，通入工作气体并带入气态碳源；
于450℃～600℃下在所述中间金属层上形成所述石墨烯层。
2.根据权利要求1所述的石墨烯铝复合导线的制备方法，其特征在于，所述工作气体包括氢气，以及任选的惰性气体和氮气中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的石墨烯铝复合导线的制备方法，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。
4.根据权利要求1所述的石墨烯铝复合导线的制备方法，其特征在于，所述工作气体的通入量为100sccm～300sccm，所述气态碳源的通入量为5sccm～30sccm。
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