CN114388167B - 一种石墨烯铜线及其制备方法和电缆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种石墨烯铜线及其制备方法和电缆，所述石墨烯铜线的内部均匀分布有各向同性的片状石墨烯；所述石墨烯铜线在20℃下，抗拉强度≥230MPa，导电率≥116％IACS，伸长率≥20％；所述方法包括以下步骤：石墨烯铜箔进行热等静压得到石墨烯铜块，所述石墨烯铜块进行机加工得到铜棒，所述铜棒进行热挤压得到铜杆，所述铜杆进行拉丝和退火得到所述石墨烯铜线；所述制备方法通过化学气相沉积、热等静压实现了石墨烯在铜线中的均匀分布、较高含量和各向同性，也使得石墨烯铜线具有高导电率，同时以真空热挤压等步骤保证了石墨烯铜线的机械强度，低成本大产量的工艺使石墨烯铜线适合用于制备电缆，进而大幅降低线缆上的电能损耗。
Description
技术领域
本发明属于架空电缆技术领域，尤其涉及一种石墨烯铜线及其制备方法和电缆。
背景技术
气候变暖被公认为人类面临的重大威胁之一，为此需要打造清洁低碳、安全高效的新一代电力***。电网线损是全电力***线损的重要构成部分，目前，电网损耗占全电力网损耗比例可达75％，其中，线损中电线电缆的损耗约占40～50％。
在中低压线路中主要采用铜作为导体材料，一般铜的导电率为100％IACS，如能使得铜的导电率提升10％及以上，将会大幅降低线路运行过程中线损。石墨烯具有高的导电性、良好的光学特性以及量子霍尔效应等物理特性。石墨烯的电导率为1×106s/m，是导电率最高的非金属材料，同时其具有极高的电子迁移率8×105cm2V-1S-1。将石墨烯的将含量极高的铜导电电子和石墨烯的高电子迁移率特性结合，从而大幅提高铜的导电率。采用石墨烯高导电率铜线制备电线电缆，在其他性能不变的情况下，具有优良的导电性能，因此该石墨烯高导电率铜线可在电网线路建设和运行过程中，可节约能源消耗和电力损耗，进而大幅降低碳排放，其对能源革新有巨大推动作用。
CN113782277A公开了一种合金铜线的制造工艺，使用氢氧化钛使得制得的铜颗粒内生成了微量的钛合金相，同时粒子表面络合有石墨烯，有别于简单的石墨烯熔炼添加或外表包覆处理，将石墨烯分散在铜集体中形成体材料，增强铜的抗氧化性，同时提高由于加入钛所降低的导电率，使制备得的合金铜线导电率和力学性能具有长足提高，并使用硼氢化钠与第一混合溶液沉淀反应，将溶液调节至低碱性，再加入盐酸羟胺，调节溶液至中性的同时，盐酸羟胺产生的还原反应，及酸碱融合时发生的活化反应相结合，使得石墨烯、铜离子和钛离子的还原效果更佳，团聚减少以实现铜的力学性能、导电率、抗氧化性的三方稳定。所述方法采用湿法掺杂，工序繁琐，且产生大量废水，污染环境。
CN113695394A公开了一种石墨烯铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：在第一铜板材上依次叠放石墨烯层和第二铜板材，得到石墨烯夹层胚样：对夹层胚样采用累积叠轧焊法进行轧制，得到粗坯；对粗坯进行退火处理，冷却，得到所述石墨烯铜基复合材料。本发明提供的石墨烯铜基复合材料的制备方法，利用石墨烯的高导电性以及石墨烯铜复合体系的复合效应和协同效应，在材料中形成完整石墨烯导流通道，获得高导电线缆材料；但是机械轧制导致石墨烯和铜的混合均匀性较差，导电性能的提高有限。
CN103103493A公开了一种石墨烯铜线生产装置。包括化学气相沉积炉，其特征在于，所述化学气相沉积炉包括方形炉体及设于所述炉体内的方形沉积室，在所述炉底与室底之间，所述炉壁与室壁之间分别设有加热板；所述沉积室内竖直设有两个辊筒，所述辊筒外圆上设有螺旋过线槽；所述炉体的底部设有与所述沉积室相通的进气口，所述炉体的顶部设有与所述沉积室相通的出气口；所述炉体的一侧设有与所述沉积室连通的进线孔，所述炉体的另一侧设有与所述沉积室连通的出线孔；但是，所述生产工艺造价高，工序繁琐，不适合大规模应用至工业上。
因此需要开发一种新的石墨烯和铜的混合方式得到导电性良好的铜线。
发明内容
针对现有技术存在的电力线路线损过大、石墨烯掺杂效果不好、工序繁琐等问题，本发明提出了一种石墨烯铜线及其制备方法和电缆。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种石墨烯铜线，所述石墨烯铜线的内部均匀分布有各向同性的片状石墨烯。
本发明提供的石墨烯铜线在铜块内具有多个均匀的石墨烯层，石墨烯的添加比例相较于其他掺杂石墨烯铜线有所提高，充分利用了铜的高电子含量和石墨烯的高速电子通道特性，得到了高导电率的铜线，并且铜线具有良好的机械性能。
优选地，所述石墨烯铜线在20℃下，抗拉强度≥230MPa，例如可以是230MPa、235MPa、240MPa、245MPa或250MPa，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述石墨烯铜线在20℃下，导电率≥116％IACS，例如可以是116％IACS、118％IACS、120％IACS、122％IACS、125％IACS或130％IACS，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述石墨烯铜线在20℃下，伸长率≥20％。
优选地，所述石墨烯铜线中石墨烯的含量为0.001wt％-0.01wt％，例如可以是0.001wt％、0.002wt％、0.005wt％、0.008wt％或0.01wt％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述石墨烯铜线的直径为1-3.5mm，例如可以是1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm或3.5mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
第二方面，本发明提供了如第一方面所述的石墨烯铜线的制备方法，所述方法包括以下步骤：
石墨烯铜箔进行热等静压得到石墨烯铜块，所述石墨烯铜块进行机加工得到铜棒，所述铜棒进行热挤压得到铜杆，所述铜杆进行拉丝和退火得到所述石墨烯铜线。
本发明提供的石墨烯铜线的制备方法，相较于传统的机械加工或湿法生长等掺杂方式，采用了热等静压将多层高结合强度的石墨烯铜箔压成石墨烯铜块，获得了均匀、高容量且具有各向同性的片状石墨烯掺杂效果，再使用连续热挤压的方法得到石墨烯铜线，方法简便，成本较低。
优选地，所述热等静压中石墨烯铜箔的层数为750-3600，例如可以是750、800、850、900、1000、1200、1500、1700、2000、2500、3000或3600，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述石墨烯铜箔由化学气相沉积方法制备。
本发明优选采用化学气相沉积方法得到的石墨烯铜箔为生产原料，其优势在于可有效控制石墨烯层数、分布均匀性和稳定性，提升规模化生产优势，降低生产成本。
优选地，所述石墨烯铜箔的长度为290-310mm，例如可以是290mm、295mm、300mm、305mm或310mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述石墨烯铜箔的宽度为200-220mm，例如可以是200mm、205mm、210mm、215mm或220mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述石墨烯铜箔的厚度为0.05-0.2mm，例如可以是0.05mm、0.1mm、0.15mm或0.2mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述热等静压的真空度为10-3-10-2Pa，例如可以是10-3Pa、2×10-3Pa、5×10-3Pa、8×10-3Pa或10-2Pa，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述热等静压的温度为800-1000℃，例如可以是800℃、850℃、900℃、950℃或1000℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述热等静压的压力为5-50MPa，例如可以是5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、30MPa、40MPa或50MPa，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中优选采用800-1000℃、5-50MPa条件下进行热等静压将石墨烯铜箔结合起来，其优势在于可提升石墨烯含量，同时确保石墨烯均匀同向分布于铜导体中，充分发挥石墨烯的高电子迁移率和铜的高电子含量特性，提升铜导电性能。
优选地，所述热等静压中进行保压。
优选地，所述保压的时间为10-60min，例如可以是10min、20min、30min、40min、50min或60min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述热等静压后降温。
优选地，所述降温的时间为2-5h，例如可以是2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h或5h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述石墨烯铜块中石墨烯的含量为0.001wt％-0.01wt％，例如可以是0.001wt％、0.002wt％、0.005wt％、0.008wt％或0.01wt％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述机加工的方法为车削。优选地，所述铜棒的长度为270-290mm，例如可以是270mm、275mm、280mm、285mm或290mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述铜棒的直径为150-180mm，例如可以是150mm、160mm、170mm或180mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述热挤压包括：铜棒进行清洗、烘干、预加热后，再依次进行一次真空加热和二次真空加热，随后进行真空热挤压，得到铜杆。
本发明优选采用真空热挤压的方式进行铜线制备，其优势在于减小铜导体尺寸便于后续加工，防止铜线氧化，确保石墨烯分布均匀。
优选地，所述一次真空加热的真空度为10-1-10Pa，例如可以是10-1Pa、2×10-1Pa、5×10-1Pa、8×10-1Pa、1Pa、2Pa、5Pa、8Pa或10Pa，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述一次真空加热的温度为200-400℃，例如可以是200℃、250℃、300℃、350℃或400℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述二次真空加热的真空度为10-2-10-1Pa，例如可以是10-2Pa、2×10-2Pa、5×10-2Pa、8×10-2Pa或10-1Pa，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述二次真空加热的温度为500-700℃，例如可以是500℃、550℃、600℃、650℃或700℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述真空热挤压的真空度为10-3-10-2Pa，例如可以是10-3Pa、2×10-3Pa、5×10-3Pa、8×10-3Pa或10-2Pa，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述真空热挤压的温度为800-1000℃，例如可以是800℃、850℃、900℃、950℃或1000℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述真空热挤压的压力为5-50MPa，例如可以是5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、30MPa、40MPa或50MPa，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述真空热挤压的挤压道次为6-20次，例如可以是6次、8次、10次、12次、15次、18次或20次，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述真空热挤压的每道次变形率为1-10％，例如可以是1％、2％、5％、8％或10％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述退火的温度为350-380℃，例如可以是350℃、360℃、370℃或380℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述拉丝的拉拔道次为6-20次，例如可以是6次、8次、10次、12次、15次、18次或20次，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述拉丝的每道次变形量为1-3％，例如可以是1％、1.2％、1.5％、1.8％、2％、2.2％、2.5％、2.8％或3％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述方法包括以下步骤：
750-3600层，长度、宽度、厚度分别为290-310mm、200-220mm、0.05-0.2mm的石墨烯铜箔，在800-1000℃、5-50MPa、真空度10-3-10-2Pa下进行10-60min的热等静压，降温2-5h得到石墨烯铜块，所述石墨烯铜块经过车床进行机加工得到长度为270-290mm、直径为150-180mm的铜棒，所述铜棒进行清洗、烘干、预加热后，再依次进行真空度为10-1-10Pa、温度为200-400℃的一次真空加热和真空度为10-2-10-1Pa、温度为500-700℃的二次真空加热，随后在真空度为10-3-10-2Pa、温度为800-1000℃、压力为5-50MPa下进行6-20道次、每道次变形率为1-10％的真空热挤压，得到铜杆，所述铜杆进行6-20道次、每道次变形率为1-3％的拉丝，每次拉丝后在350-380℃下退火，最后得到所述石墨烯铜线。
第三方面，本发明提供一种电缆，所述电缆包括如第一方面所述的石墨烯铜线。
本发明得到的石墨烯铜线具有良好的导电性，应用在电缆中可以大幅度减少电能损耗，又因为其具有优异的机械强度，用于远程电缆中可以减少维修次数，且其制备方法的简便、成本低、产量高，足以使其运用在各种复合电缆中。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的一种石墨烯铜线，由于内部均匀分散有各向同性的石墨烯片，导电率≥116％IACS，同时具备良好的理化性质，抗拉强度≥230MPa，伸长率≥20％；
(2)本发明提供的一种石墨烯铜线的制备方法，以化学气相沉积法得到的石墨烯铜箔为原料，经过热等静压、真空热挤压等操作，可在铜块内获得多个均匀的石墨烯层，提升石墨烯的添加比例，充分利用了铜的高电子含量和石墨烯的高速电子通道特性，为后续石墨烯高导电率铜线连续制备提供了有力保证；
(3)本发明提供的一种石墨烯铜线的制备方法，采用的连续真空热挤压技术，其分级真空加热方法，可实现铜棒到铜杆的连续化生产，制备大长度铜杆，生产效率高、成本低且质量稳定，为石墨烯铜线制备高导电率电缆的工艺生产提供了前序化产量的保证。
附图说明
图1为本发明具体实施方式提供的石墨烯铜线的径向截面示意图。
图2为本发明实施例1提供的石墨烯铜线的轴向截面的电镜图。
其中，1、铜；2、片状石墨烯。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供一种石墨烯铜线，所述石墨烯铜线的内部均匀分布有各向同性的片状石墨烯；
所述石墨烯铜线在20℃下，抗拉强度≥230MPa，导电率≥116％IACS，伸长率≥20％。
如图1所示，石墨烯铜线的径向截面中，白色区域为铜，黑色条纹是被截断的片状石墨烯，片状石墨烯均匀分布在铜线中，且石墨烯的朝向具有同一性。
在另一个具体实施方式中，本发明提供一种上述石墨烯铜线的制备方法，所述方法包括以下步骤：
750-3600层，长度、宽度、厚度分别为290-310mm、200-220mm、0.05-0.2mm的石墨烯铜箔，在800-1000℃、5-50MPa、真空度10-3-10-2Pa下进行10-60min的热等静压，降温2-5h得到石墨烯铜块，所述石墨烯铜块经过车床进行机加工得到长度为270-290mm、直径为150-180mm的铜棒，所述铜棒进行清洗、烘干、预加热后，再依次进行真空度为10-1-10Pa、温度为200-400℃的一次真空加热和真空度为10-2-10-1Pa、温度为500-700℃的二次真空加热，随后在真空度为10-3-10-2Pa、温度为800-1000℃、压力为5-50MPa下进行6-20道次、每道次变形率为1-10％的真空热挤压，得到铜杆，所述铜杆进行6-20道次、每道次变形率为1-3％的拉丝，每次拉丝后在350-380℃下退火，最后得到所述石墨烯铜线。
需明确的是，采用了本发明实施例提供的工艺或进行了常规数据的替换或变化均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
实施例1
本实施例提供一种石墨烯铜线，所述石墨烯铜线的内部均匀分布有各向同性的片状石墨烯。
本实施例还提供一种上述石墨烯铜线的制备方法，所述方法包括以下步骤：
2000层，长度、宽度、厚度分别为300mm、210mm、0.1mm的石墨烯铜箔，在900℃、30MPa、真空度5×10-3Pa下进行30min的热等静压，降温3h得到石墨烯铜块，所述石墨烯铜块经过车床进行机加工得到长度为280mm、直径为160mm的铜棒，所述铜棒进行清洗、烘干、预加热后，再依次进行真空度为5×10-1Pa、温度为300℃的一次真空加热和真空度为5×10- 2Pa、温度为600℃的二次真空加热，随后在真空度为5×10-3Pa、温度为900℃、压力为30MPa下进行10道次、每道次变形率为8％的真空热挤压，得到直径为8mm的铜杆，所述铜杆进行10道次、每道次变形率为2％的拉丝，每次拉丝后在360℃下退火，最后得到直径为2mm的所述石墨烯铜线。
图2是本实施例提供的石墨烯铜线，沿轴向切开得到层状结构的电镜图，其中石墨烯以层状结构均匀的分布于铜线内部。
实施例2
本实施例提供一种石墨烯铜线，所述石墨烯铜线的内部均匀分布有各向同性的片状石墨烯。
本实施例还提供一种上述石墨烯铜线的制备方法，所述方法包括以下步骤：
750层，长度、宽度、厚度分别为310mm、220mm、0.2mm的石墨烯铜箔，在800℃、50MPa、真空度10-2Pa下进行60min的热等静压，降温2h得到石墨烯铜块，所述石墨烯铜块经过车床进行机加工得到长度为290mm、直径为150mm的铜棒，所述铜棒进行清洗、烘干、预加热后，再依次进行真空度为10Pa、温度为400℃的一次真空加热和真空度为10-1Pa、温度为700℃的二次真空加热，随后在真空度为10-2Pa、温度为1000℃、压力为5MPa下进行20道次、每道次变形率为5％的真空热挤压，得到直径为6mm的铜杆，所述铜杆进行20道次、每道次变形率为1％的拉丝，每次拉丝后在380℃下退火，最后得到直径为2mm的所述石墨烯铜线。
实施例3
本实施例提供一种石墨烯铜线，所述石墨烯铜线的内部均匀分布有各向同性的片状石墨烯。
本实施例还提供一种上述石墨烯铜线的制备方法，所述方法包括以下步骤：
2000层，长度、宽度、厚度分别为300mm、210mm、0.1mm的石墨烯铜箔，在900℃、30MPa、真空度5×10-3下进行30min的热等静压，降温3h得到石墨烯铜块，所述石墨烯铜块经过车床进行机加工得到长度为280mm、直径为160mm的铜棒，所述铜棒进行清洗、烘干、预加热后，再依次进行真空度为5×10-1Pa、温度为300℃的一次真空加热和真空度为5×10-2Pa、温度为600℃的二次真空加热，随后在真空度为5×10-3-Pa、温度为900℃、压力为30MPa下进行10道次、每道次变形率为8％的真空热挤压，得到直径为8mm的铜杆，所述铜杆进行10道次、每道次变形率为2％的拉丝，每次拉丝后在360℃下退火，最后得到直径为2mm的所述石墨烯铜线。
实施例4
本实施例提供一种石墨烯铜线及其制备方法，所述制备方法除热等静压的温度为750℃之外，其余均与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供一种石墨烯铜线及其制备方法，所述制备方法除热等静压的温度为1050℃之外，其余均与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供一种石墨烯铜线及其制备方法，所述制备方法除热等静压的压力为60MPa之外，其余均与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供一种石墨烯铜线及其制备方法，所述制备方法除采用的石墨烯铜箔为粉末冶金方法制成之外，其余均与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供一种石墨烯铜线及其制备方法，所述制备方法除真空热挤压之前采用常压加热的方法加热之外，其余均与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供一种石墨烯铜线及其制备方法，所述制备方法除热挤压之前采用常压加热的方法加热，且热挤压中也不抽真空之外，其余均与实施例1相同。
实施例1-6和对比例1-3提供的石墨烯铜线的测试方法如下：采用符合GB/T3048.2-2007《电线电缆电性能试验方法第2部分：金属材料电阻率试验》测试导电率，采用GB/T 4909.3-2009《裸电线试验方法第3部分：拉力试验》测试抗拉强度和伸长率。测试参数如表1所示。
表1
由表1中的数据我们可以看出：
(1)实施例1-3得到的石墨烯铜线的导电率≥116.5％IACS，抗拉强度≥241MPa，伸长率≥26％，证明本方法得到的石墨烯铜线，由于采用化学气相沉积法制备的石墨烯铜箔作为原料，并采用热等静压和真空加热、真空热挤压制备得到的石墨烯铜线具有优异的导电性和机械强度；
(2)综合实施例1和实施例4-5可以看出，实施例1的石墨烯铜线制备方法中热等静压的温度为900℃，相较于实施例4和实施例5的石墨烯铜线制备方法中热等静压的温度分别为750℃和1050℃而言，实施例1的石墨烯铜线的导电率为118.3％IACS，抗拉强度为245MPa，伸长率为27％，而实施例4和实施例5的导电率分别为117.1％IACS和117.3％IACS，抗拉强度分别为243MPa和242MPa，且实施例4的伸长率仅为23％，由此表明，本发明优选采用合理范围的热等静压温度，得到了导电率更高，机械强度更好的石墨烯铜线；
(3)综合实施例1和实施例6可以看出，实施例1的石墨烯铜线制备方法中热等静压的压力为30MPa，相较于实施例6的石墨烯铜线制备方法中热等静压的压力为60MPa而言，实施例1的石墨烯铜线的导电率为118.3％IACS，抗拉强度为245MPa，伸长率为27％，而实施例6的导电率为116.7％IACS，抗拉强度为243MPa，伸长率为26％，由此表明，本发明优选采用合理范围的热等静压压力，得到了导电率更高，机械强度更好的石墨烯铜线；
(4)综合实施例1和对比例1可以看出，实施例1的石墨烯铜线制备方法中采用化学气相沉积法制备的石墨烯铜箔作为原材料，相较于对比例1的石墨烯铜线制备方法中采用粉末冶金法制备的石墨烯铜箔作为原材料而言，实施例1的石墨烯铜线的导电率为118.3％IACS，抗拉强度为245MPa，伸长率为27％，而对比例1的抗拉强度虽然为268MPa，但导电率仅为102.5％IACS，伸长率仅为13％，由此表明，本发明采用结合强度好、杂质更少的化学气相沉积法制备的石墨烯铜箔原材料，得到了导电率更高，机械强度有保障的石墨烯铜线；
(5)综合实施例1和对比例2-3可以看出，实施例1的石墨烯铜线制备方法中热挤压前采用两级真空加热，同时使用真空热挤压，相较于对比例2真空热挤压之前采用常压加热的方法加热，对比例3热挤压之前采用常压加热的方法加热且热挤压中也不抽真空之外而言，实施例1的石墨烯铜线的导电率为118.3％IACS，抗拉强度为245MPa，伸长率为27％，而对比例2和对比例3的导电率分别仅为105.3％IACS和101.7％IACS，抗拉强度分别为245MPa和236MPa，伸长率分别仅为19％和15％，由此表明，本发明采用两级真空加热和真空热挤压，得到了导电率更高，机械强度更好的石墨烯铜线。
综上所述，本发明提供的石墨烯铜线及其制备方法，通过CVD化学沉积技术，热压合铜块及热挤压铜棒技术，可实现石墨烯高导电率铜线连续稳定生产，成本低，效率高，适合工业生产使用。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (30)
1.一种石墨烯铜线，其特征在于，所述石墨烯铜线的内部均匀分布有各向同性的片状石墨烯；
所述石墨烯铜线在20℃下，抗拉强度≥230MPa；
所述石墨烯铜线在20℃下，导电率≥116％IACS；
所述石墨烯铜线中石墨烯的含量为0.001wt％-0.01wt％；
所述石墨烯铜线由以下制备方法得到：
石墨烯铜箔进行热等静压得到石墨烯铜块，所述石墨烯铜块进行机加工得到铜棒，所述铜棒进行热挤压得到铜杆，所述铜杆进行拉丝和退火得到所述石墨烯铜线；
所述石墨烯铜箔由化学气相沉积方法制备；
所述热挤压包括：铜棒进行清洗、烘干、预加热后，再依次进行一次真空加热和二次真空加热，随后进行真空热挤压，得到铜杆。
2.根据权利要求1所述的石墨烯铜线，其特征在于，所述石墨烯铜线在20℃下，伸长率≥20％。
3.根据权利要求1所述的石墨烯铜线，其特征在于，所述石墨烯铜线的直径为1-3.5mm。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的石墨烯铜线的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
石墨烯铜箔进行热等静压得到石墨烯铜块，所述石墨烯铜块进行机加工得到铜棒，所述铜棒进行热挤压得到铜杆，所述铜杆进行拉丝和退火得到所述石墨烯铜线；
所述石墨烯铜箔由化学气相沉积方法制备；
所述热挤压包括：铜棒进行清洗、烘干、预加热后，再依次进行一次真空加热和二次真空加热，随后进行真空热挤压，得到铜杆。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述热等静压中石墨烯铜箔的层数为750-3600。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯铜箔的厚度为0.05-0.2mm。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述热等静压的真空度为10-3-10-2Pa。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述热等静压的温度为800-1000℃。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述热等静压的压力为5-50MPa。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述热等静压中进行保压。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述保压的时间为10-60min。
12.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述热等静压后降温。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述降温的时间为2-5h。
14.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯铜块中石墨烯的含量为0.001wt％-0.01wt％。
15.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述机加工的方法为车削。
16.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述铜棒的直径为150-180mm。
17.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述一次真空加热的真空度为10-1-10Pa。
18.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述一次真空加热的温度为200-400℃。
19.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述二次真空加热的真空度为10-2-10-1Pa。
20.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述二次真空加热的温度为500-700℃。
21.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述真空热挤压的真空度为10-3-10- 2Pa。
22.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述真空热挤压的温度为800-1000℃。
23.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述真空热挤压的压力为5-50MPa。
24.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述真空热挤压的挤压道次为6-20次。
25.根据权利要求24所述的制备方法，其特征在于，所述真空热挤压的每道次变形率为1-10％。
26.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述退火的温度为350-380℃。
27.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述拉丝的拉拔道次为6-20次。
28.根据权利要求27所述的制备方法，其特征在于，所述拉丝的每道次变形量为1-3％。
29.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
750-3600层，长度、宽度、厚度分别为290-310mm、200-220mm、0.05-0.2mm的石墨烯铜箔，在800-1000℃、5-50MPa、真空度10-3-10-2Pa下进行10-60min的热等静压，降温2-5h得到石墨烯铜块，所述石墨烯铜块经过车床进行机加工得到长度为270-290mm、直径为150-180mm的铜棒，所述铜棒进行清洗、烘干、预加热后，再依次进行真空度为10-1-10Pa、温度为200-400℃的一次真空加热和真空度为10-2-10-1Pa、温度为500-700℃的二次真空加热，随后在真空度为10-3-10-2Pa、温度为800-1000℃、压力为5-50MPa下进行6-20道次、每道次变形率为1-10％的真空热挤压，得到铜杆，所述铜杆进行6-20道次、每道次变形率为1-3％的拉丝，每次拉丝后在350-380℃下退火，最后得到所述石墨烯铜线。
30.一种电缆，其特征在于，所述电缆包括如权利要求1-3任一项所述的石墨烯铜线。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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