JP2023095866A - めっき付ねじりワイヤの対を含む軽量カーボンナノチューブケーブル - Google Patents

めっき付ねじりワイヤの対を含む軽量カーボンナノチューブケーブル Download PDF

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Abstract

【課題】めっき付ねじりワイヤの対を含む軽量カーボンナノチューブケーブルを提供する。【解決手段】カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ケーブルは１対のめっき付ねじりワイヤを含み、各ワイヤは１つ以上のサブコアを含み、少なくとも１つのサブコアはＣＮＴ糸を含み、めっき付ねじりワイヤを囲む誘電体と、誘電体を囲む電気層とを含み、電気層は、ＣＮＴケーブルを遮蔽するように構成される。ＣＮＴケーブルを製造するための方法は堆積速度を制御することと、各ワイヤが１つ以上のサブコアを含み、少なくとも１つのサブコアがＣＮＴ糸を含む一対のワイヤを囲むようにめっきを堆積させることと、めっき付ワイヤをねじり合わせることと、めっき付ねじりワイヤを遮蔽するように構成された電気層でめっき付ねじりワイヤを囲むこととを含み、それによってＣＮＴケーブルを生成する。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、政府の支援によってなされた。政府はこの発明に対して特定の権利を有する。
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ケーブルは一対のめっき付ねじりワイヤを含み、各ワイヤは１つ以上のサブコアを含み、少なくとも１つのサブコアはＣＮＴ糸を含み、めっき付ねじりワイヤを囲む誘電体と、誘電体を囲む電気層とを含み、電気層は、ＣＮＴケーブルを遮蔽するように構成される。
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ケーブルを製造するための方法は堆積速度を制御することと、各ワイヤが１つ以上のサブコアを含み、少なくとも１つのサブコアがＣＮＴ糸を含む一対のワイヤを囲むようにめっきを堆積させることと、めっき付ワイヤをねじり合わせることと、めっき付ねじりワイヤを遮蔽するように構成された電気層でめっき付ねじりワイヤを囲むこととを含み、それによってＣＮＴケーブルを生成する。
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ケーブルを製造するための方法はクロロスルホン酸を使用し、ＣＮＴ糸を含む複数のサブコアのうちの少なくとも１つを化学的に前処理するステップと、堆積速度を制御するステップと、各ワイヤがサブコアを含む一対のワイヤのそれぞれを取り囲むようにめっきを堆積させるステップと、めっき付ワイヤの周りに誘電体を配置するステップと、複数のサブコアのうちの少なくとも１つの近似直径を制御するステップと、めっき付ワイヤをねじり合わせるステップと、めっき付ねじりワイヤを遮蔽するように構成された電気層で誘電体を取り囲むステップとを含み、それによってＣＮＴケーブルを生成する。
添付の図面は様々な代表的な実施形態をより完全に説明するために使用される視覚的表現を提供し、本明細書で開示される代表的な実施形態およびそれらの利点をより良く理解するために当業者によって使用され得る。これらの図面において、同様の参照番号は、対応する要素を識別する。
１つ以上のサブコアを含み、少なくとも１つのサブコアがＣＮＴ糸を含む、めっき付ねじりワイヤの写真である。 各コアに３つのサブコアをそれぞれ備えるＣＮＴ糸ケーブルの構成要素を示す概略図である。 各コアに１つのサブコアをそれぞれ備えるＣＮＴ糸ケーブルの構成要素を示す概略図である。 各コアに４つのサブコアをそれぞれ備えるＣＮＴ糸ケーブルの構成要素を示す概略図である。 各コアに７つのサブコアをそれぞれ備えるＣＮＴ糸ケーブルの構成要素を示す概略図である。 従来技術のＣＮＴワイヤを示す顕微鏡写真である。 本発明の実施形態に従って銅めっき付ＣＮＴワイヤを示す顕微鏡写真である。 化学的に延伸されたＣＮＴ糸（ＣＳＹ）を使用して酸洗浄を実施することによって本発明の実施形態に従って前処理されたＣＮＴワイヤを示す顕微鏡写真である。 本発明の実施形態に従って銅めっき後のＣＳＹ前処理されたＣＮＴワイヤを示す顕微鏡写真である。 ２４ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２４ＡＷＧ）ワイヤおよび２８ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２８ＡＷＧ）ワイヤの両方について、小規模表面粗さおよび大規模表面欠陥の両方を示す顕微鏡写真である。 ２４ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２４ＡＷＧ）ワイヤおよび２８ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２８ＡＷＧ）ワイヤの両方について、小規模表面粗さおよび大規模表面欠陥の両方を示す顕微鏡写真である。 ２４ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２４ＡＷＧ）ワイヤおよび２８ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２８ＡＷＧ）ワイヤの両方について、小規模表面粗さおよび大規模表面欠陥の両方を示す顕微鏡写真である。 ２４ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２４ＡＷＧ）ワイヤおよび２８ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２８ＡＷＧ）ワイヤの両方について、小規模表面粗さおよび大規模表面欠陥の両方を示す顕微鏡写真である。 ２４ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２４ＡＷＧ）ワイヤおよび２８ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２８ＡＷＧ）ワイヤの両方について、小規模表面粗さおよび大規模表面欠陥の両方を示す顕微鏡写真である。 ４つの異なる数のサブコアを含むねじりワイヤを使用するＣＮＴ糸ケーブルの挿入損失（デシベル［ｄＢ］）に関するコンピュータシミュレーションデータを示すグラフである。 ４つの異なる数のサブコアを含むねじりワイヤを使用するＣＮＴ糸ケーブルの挿入損失（デシベル［ｄＢ］）に関するコンピュータシミュレーションデータを示すグラフである。 ２８ＡＷＧワイヤ、２４ＡＷＧワイヤ、２２ＡＷＧワイヤ、および２０ＡＷＧワイヤを使用する実施形態におけるＣＮＴ糸ケーブルのワイヤ重量を示す棒グラフであり、市販の既製（ＣＯＴＳ）銅ワイヤの同じ４本のワイヤの比較ワイヤ重量を示す。 従来技術のＣＯＴＳワイヤに対するＣＮＴ糸ケーブルの重量の減少を示す棒グラフである。 異なる周波数に対する従来技術のめっきされていない市販のＣＮＴワイヤの挿入損失に対するＣＮＴ糸ケーブルの挿入損失を示すグラフである。 ４つの異なる近似最小動作周波数で２８ ＡＷＧめっきワイヤを使用するＣＮＴ糸ケーブルの遮蔽導電率の関数としてのめっきワイヤ重量のグラフである。 ＣＮＴ糸ケーブルを製造する方法のフローチャートである。 ＣＮＴ糸ケーブルを製造する方法のフローチャートである。
本発明は多くの異なる形態の実施形態が可能であるが、図面に示されており、本明細書では１つまたは複数の特定の実施形態を詳細に説明するが、本開示は本発明の原理の例示と見なされるべきであり、本発明を、示され、説明された特定の実施形態に限定することを意図するものではないことを理解されたい。以下の説明および図面のいくつかの図において、同じ参照番号は、図面のいくつかの図における同じ、類似の、または対応する部分を説明するために使用される。
本発明の実施形態によれば、ＣＮＴ糸ケーブルが提供される。例えば、ＣＮＴケーブルが提供される。例えば、強力なＣＮＴケーブルが提供される。例えば、軽量のＣＮＴケーブルが提供される。例えば、強く、軽量のＣＮＴケーブルが提供される。例えば、弾性ＣＮＴケーブルが提供される。
例えば、低無線周波数（ＲＦ）挿入損失を有するケーブルが提供される。例えば、約１ギガヘルツの周波数で約２．０デシベル／フィート以下のＲＦ挿入損失を有するケーブルが提供される。例えば、約４ギガヘルツの周波数で約４．０デシベル／フィート以下のＲＦ挿入損失を有するケーブルが提供される。例えば、中実銅線の挿入損失と同等の挿入損失を有するケーブルが提供される。例えば、高い導電率を有するケーブルが提供される。
図１は１つ以上のサブコアを含み、少なくとも１つのサブコアがＣＮＴ糸を含む、めっき付ねじりワイヤ１１０の写真１００である。
図２Ａ～２Ｄは、ＣＮＴケーブル２００の構成要素を示す４つの概略図のセットである。図２Ａにおいて、ＣＮＴケーブル２００は、２８ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（ＡＷＧ）高速ＣＮＴケーブル２００を含む。図示のように、ＣＮＴケーブルは、一対のねじりワイヤ、第１のねじりワイヤ２１０Ａおよび第２のねじりワイヤ２１０Ｂを含む。
ねじりワイヤ２１０Ａ、２１０Ｂは、ＣＮＴケーブル２００の電気層２２０を形成する遮蔽２２０によって遮蔽される。例えば、電気層２２０は、ＣＮＴケーブル２００の外面２２０を含む。例えば、電気層２００は、物理層（図示せず）によって囲まれている。例えば、電気層２００は編組（図示せず）によって取り囲まれ、編組は電気層２００を摩耗から保護するように構成される。
ねじり遮蔽ワイヤ２１０Ａ、２１０Ｂのうちの少なくとも１つは、コアを備える。例えば、第１のねじりワイヤ２１０Ａは、第１のコア２３０Ａを含む。例えば、第２のねじりワイヤ２１０Ｂは、第２のコア２３０Ｂを含む。図示のように、第１のねじりワイヤ２１０Ａは第１のコア２３０Ａを含み、第２のねじりワイヤ２１０Ｂは第２のコア２３０Ｂを含む。例えば、ねじり遮蔽ワイヤ２１０Ａ、２１０Ｂの少なくとも１つは、所望の数のサブコアを有する。
第１のコア２３０Ａは、第１のめっき２４０Ａによって取り囲まれている。第２のコア２３０Ｂは、第２のめっき２４０Ｂによって取り囲まれている。例えば、第１のめっき２４０Ａおよび第２のめっき２４０Ｂのうちの１つ以上は銅めっきを含む。例えば、第１の銅めっき２４０Ａおよび第２の銅めっき２４０Ｂのうちの１つ以上は、電気めっき型銅めっきを含む。例えば、第１のめっき２４０Ａおよび第２のめっき２４０Ｂのうちの１つ以上は銀めっきを含む。例えば、第１のめっき２４０Ａおよび第２のめっき２４０Ｂのうちの１つ以上は金めっきを含む。図示のように、第１のコア２３０Ａは、第１の銅めっき２４０Ａによって取り囲まれている。図示のように、第２のコア２３０Ｂは、第２の銅めっき２４０Ｂによって取り囲まれている。例えば、第１の銅めっき２４０Ａおよび第２の銅めっき２４０Ｂのうちの１つ以上は、約１５ミクロンまでの厚さを有する。
第１の銅めっき２４０Ａは、３つのサブコア２５０Ａ、２５０Ｂ、および２５０Ｃによって形成される表面の外側を周回する第１のめっき付外周を形成する。同様に、第２の銅めっき２４０Ｂは、３つのサブコア２５０Ｄ、２５０Ｅ、および２５０Ｆによって形成される表面の外側を周回する第２のめっき付外周を形成する。
例えば、第１のコア２３０Ａおよび第２のコア２３０Ｂのうちの１つ以上は、多成分コアを含む。例えば、図示されるように、第１のコア２３０Ａは、３つのサブコア２５０Ａ、２５０Ｂ、および２５０Ｃを備える３軸の第１のコア２３０Ａを備える。例えば、３つのサブコア２５０Ａ、２５０Ｂ、および２５０Ｃは、ねじり合わされる。例えば、図示されるように、第２のコア２３０Ｂは、３つのサブコア２５０Ｄ、２５０Ｅ、および２５０Ｆを備える３軸の第２のコア２３０Ｂを備える。例えば、３つのサブコア２５０Ｄ、２５０Ｅ、および２５０Ｆは、ねじり合わされる。
例えば、サブコア２５０Ａ～２５０Ｆのうちの１つ以上は糸（単糸）を含む。例えば、サブコア２５０Ａ～２５０Ｆの１つ以上はＣＮＴ糸を含む。
例えば、第１のサブコア２５０Ａ～２５０Ｆのうちの１つ以上は、化学的に延伸されたＣＮＴ糸（ＣＳＹ）を含む。ＣＳＹ前処理は、めっき層の導電性を最大にするための最適なテンプレートを提供するためにクロロスルホン酸を使用する酸洗浄を含む。ＣＳＹ前処理酸は半導電性ＣＮＴをドープし、それにより導電率を増加させる。ＣＳＹはまた、糸を緻密化する。ＣＳＹはまた、ＣＮＴネットワーク接続性を改善する。
３つのサブコア２５０Ａ、２５０Ｂ、および２５０Ｃは所望のゲージ（線規）を有する第１のねじりワイヤ２１０Ａを形成するために、ともにねじり合わされる。例えば、３つのサブコア２５０Ａ、２５０Ｂ、および２５０Ｃのうちの少なくとも１つは、所望の近似（おおよその）直径を有する。あるいは、７つの１．５ｔｅｘサブコア（図示せず）をねじり合わせて、２８米国電線規格（２８ＡＷＧ）に従う第１のねじりワイヤ２１０Ａを形成する。
図２Ｂは第１のねじりワイヤ２１０Ａが１つのサブコア２５０Ａを含み、第２のねじりワイヤ２１０Ｂが１つのサブコア２５０Ｂを含む、ＣＮＴケーブル２００の代替実施形態を示す。また、遮蔽２２０、第１のコア２３０Ａ、第２のコア２３０Ｂ、第１のめっき付外周２４０Ａおよび第２のめっき付外周２４０Ｂも示されている。
図２Ｃは第１のねじりワイヤ２１０Ａが４つのサブコア２５０Ａ～２５０Ｄを含み、第２のねじりワイヤ２１０Ｂが４つのサブコア２５０Ｅ～２５０Ｈを含む、ＣＮＴケーブル２００の代替実施形態を示す。また、遮蔽２２０、第１のコア２３０Ａ、第２のコア２３０Ｂ、第１のめっき付外周２４０Ａおよび第２のめっき付外周２４０Ｂも示されている。
図２Ｄは第１のねじりワイヤ２１０Ａが７つのサブコア２５０Ａ～２５０Ｇを含み、第２のねじりワイヤ２１０Ｂが４つのサブコア２５０Ｈ～２５０Ｎを含む、ＣＮＴケーブル２００の代替実施形態を示す。また、遮蔽２２０、第１のコア２３０Ａ、第２のコア２３０Ｂ、第１のめっき付外周２４０Ａおよび第２のめっき付外周２４０Ｂも示されている。
最適な糸構成は、４つのサブコアを含む２８本のＡＷＧ ＣＮＴワイヤを含む。この構成はめっき付外周を最大にしかつサブコアの数を最小にするという競合事項において優れたバランスを提供する。
本発明の実施形態は、約１０メガジーメンス／メートル（ＭＳ／ｍ）を超える導電率を有する。本発明の実施形態は、約２０ＭＳ／ｍを超える導電率を有する。本発明の実施形態は、約２０ＭＳ／ｍ～５８．５ＭＳ／ｍの導電率を有する。好ましくは、ファイバ（繊維）は軽量である。好ましくは、ファイバは高い引張強度を有する。
図３Ａ～３Ｄは、従来技術のＣＮＴワイヤ、本発明の実施形態による銅めっき付ＣＮＴワイヤ、本発明の実施形態による、化学的に延伸されたＣＮＴ糸（ＣＳＹ）を使用して酸洗浄を実施することによって前処理されたＣＮＴワイヤ、および本発明の実施形態による、銅めっき後のＣＳＹ前処理されたＣＮＴワイヤを示す一組の４つの顕微鏡写真である。
図３Ａは、約１．５ｔｅｘ（１．５グラム／キロメートル）の線密度を有する従来技術の裸の２８ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２８ＡＷＧ）ＣＮＴワイヤの顕微鏡写真である。
図３Ｂは、本発明の実施形態による、銅めっき付約１．５ ｔｅｘの線密度を有する２８ ＡＷＧ ＣＮＴワイヤの顕微鏡写真である。
図３Ｃは、本発明の実施形態による、ＣＳＹを用いて前処理された、約１０ ｔｅｘの線密度を有する裸の２８ＡＷＧ ＣＮＴワイヤの顕微鏡写真である。
図３Ｄは、本発明の実施形態による、ＣＳＹを使用して前処理され、銅めっき付、約１０ ｔｅｘの線密度を有する２８ＡＷＧ ＣＮＴワイヤの顕微鏡写真である。
本発明の実施形態によるＣＳＹ前処理は、電気めっき中の大規模な表面欠陥を引き起こす核形成部位として作用する緩いＣＮＴ繊維を実質的に含まない表面を有する糸を生成する。本発明の実施形態による糸のＣＳＹ前処理は、めっき付表面の最終的な表面粗さには寄与しない最小の欠陥および最小の表面粗さを有する糸を生成する。めっき層の表面粗さは、本発明を実施する際に使用される電気めっき処理の際の条件の関数であると思われる。本発明の実施形態によるＣＳＹによる前処理は、ワイヤを電気めっきするための理想的で滑らかな基板をもたらす。ＣＳＹ前処理はまた、ＣＮＴケーブルの導電率を増加させる。
図４Ａ～４Ｈは、約１．８ミクロンの平均粒径を有する２４ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２４ＡＷＧ）ワイヤおよび約７．２ミクロンの平均粒径を有する２８ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２８ＡＷＧ）ワイヤの両方について、小規模表面粗さおよび大規模表面欠陥の両方を示す８枚の顕微鏡写真のセットである。例えば、ＣＮＴケーブルは一対のねじりワイヤを含み、各ワイヤは、約１０ミクロン以下の粒径を有する。例えば、ＣＮＴケーブルは一対のねじりワイヤを含み、各ワイヤは、約３ミクロン以下の粒径を有する。
小規模な表面粗さとは、約２０００倍に拡大した場合に目に見える粗さを指す。大規模な表面欠陥は、約１００倍に拡大した場合に目に見える表面欠陥を指す。
図４Ａは、１．８ミクロンの平均粒径および低電流を有する２４ ＡＷＧワイヤを使用する本発明の実施形態についての小規模表面粗さの顕微鏡写真である。
図４Ｂは、１．８ミクロンの平均粒径および高電流を有する２４ ＡＷＧワイヤを使用する本発明の実施形態についての小規模表面粗さの顕微鏡写真である。
図４Ｃは、１．８ミクロンの平均粒径および低電流を有する２４ ＡＷＧワイヤを使用する本発明の実施形態の大規模表面欠陥の顕微鏡写真である。
図４Ｄは、１．８ミクロンの平均粒径および高電流を有する２４ ＡＷＧワイヤを使用する本発明の実施形態の大規模表面欠陥の顕微鏡写真である。
図４Ｅは、７．２ミクロンの平均粒径および低電流を有する２８ ＡＷＧワイヤを使用する本発明の実施形態についての小規模表面粗さの顕微鏡写真である。
図４Ｆは、７．２ミクロンの平均粒径および高電流を有する２８ ＡＷＧワイヤを使用する本発明の実施形態についての小規模表面粗さの顕微鏡写真である。
図４Ｇは、７．２ミクロンの平均粒径および低電流を有する２８ ＡＷＧワイヤを使用する本発明の実施形態の大規模表面欠陥の顕微鏡写真である。
図４Ｈは、７．２ミクロンの平均粒径および高電流を有する２８ ＡＷＧワイヤを使用する本発明の実施形態の大規模表面欠陥の顕微鏡写真である。
めっき付銅導電率は、表面粗さと負の相関を有することが分かる。めっき付銅導電率は、表面欠陥と負の相関を有することが分かる。本発明の実施形態による電気めっき中の銅堆積速度の低下は、めっき層の導電性を最大にする。本発明の実施形態によれば、銅堆積速度は、約１２ミクロン／分以下である。
本発明の実施形態によれば、表面粗さを最小限に抑えることは、電気めっき処理中に、より低い銅堆積速度を使用することによって達成することができる。
本発明の実施形態によれば、表面欠陥を実質的に排除することは、電気めっき処理中に、より低い銅堆積速度を使用することによって達成することができる。
表１は、図４から抽出された実験的に得られたデータ（本発明の得られた実施形態の電気めっき電流および導電率［ＭＳ／ｍ］）を表形式で示す。
Figure 2023095866000002
本発明の実施形態は、約１０ＭＳ／ｍを超える導電率を有する。本発明の実施形態は、約２０ＭＳ／ｍを超える導電率を有する。本発明の実施形態は、約２０ＭＳ／ｍ～５８．５ＭＳ／ｍの導電率を有する。好ましくは、ファイバは軽量である。好ましくは、繊維は高い引張強度を有する。
図５Ａ～５Ｂは、４つの異なる数のサブコアを含むねじりワイヤを使用するＣＮＴ糸ケーブルの挿入損失（デシベル［ｄＢ］）に関するコンピュータシミュレーションデータを示す２つのグラフのセットである。図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ、各ねじりワイヤに１、３、４、および７個のサブコアを備えるＣＮＴケーブルの挿入損失を示す。メガヘルツ（ＭＨｚ）の異なる周波数に対する従来技術のめっきされていないＣＮＴワイヤの挿入損失と比較して。図５Ａ～５Ｂはまた、それぞれ、従来技術の中実銅線の周波数の関数として測定された挿入損失を示す。
図５Ａは１、３、４、および７個のサブコアを含み、１メートル当たり２０メガジーメン（ＭＳ／ｍ）の導電率を有する典型的な銅めっきを使用するＣＮＴケーブルの挿入損失に関するコンピュータシミュレーションデータを示す。１つのサブコアを含むＣＮＴケーブルは、約１，００５ミクロンのめっき付外周を有する。３つのサブコアを含むＣＮＴケーブルは、約１，１０８ミクロンのめっき付外周を有する。４つのサブコアを含むＣＮＴケーブルは、約１，２６８ミクロンのめっき付外周を有する。７つのサブコアを含むＣＮＴケーブルは、約１，２５７ミクロンのめっき付外周を有する。
図５Ｂは１、３、４、および７個のサブコアを含み、銅めっきで達成可能な最高導電率を表す５８メガジーメン／メートル（ＭＳ／ｍ）の導電率を有する典型的な銅めっきを使用するＣＮＴケーブルの挿入損失に関するコンピュータシミュレーションデータを示す。
図６Ａは２８ＡＷＧワイヤ、２４ＡＷＧワイヤ、２２ＡＷＧワイヤおよび２０ＡＷＧワイヤを使用する実施形態におけるＣＮＴ糸ケーブルのワイヤ重量を示す棒グラフであり、従来技術のＣＯＴＳ銅ワイヤの同じ４本のワイヤの比較ワイヤ重量を示す。
２８ＡＷＧワイヤを使用する実施形態におけるＣＮＴケーブルの典型的な重量は、約０．０６グラム／フィート（ｇ／ｆｔ）である。２４ＡＷＧワイヤを使用する実施形態におけるＣＮＴケーブルの典型的な重量は、約０．１２ｇ／ｆｔである。２０ＡＷＧワイヤを使用する実施形態におけるＣＮＴケーブルの典型的な重量は、約０．２５ｇ／ｆｔである。
図６Ｂは、２８ＡＷＧワイヤ、２４ＡＷＧワイヤ、２２ＡＷＧワイヤおよび２０ＡＷＧワイヤを使用する実施形態のための従来技術のＣＯＴＳワイヤに対するＣＮＴ糸ケーブルの重量の減少を示す棒グラフである。既製ワイヤの銅に対するＣＮＴ糸ケーブルの重量の減少率は、約６０％～約９０％であった。
図７は、ギガヘルツ（ＧＨｚ）単位の異なる周波数に対する従来技術のめっきされていない市販のＣＮＴワイヤの挿入損失に対するＣＮＴ糸ケーブルの挿入損失（デシベル［ｄＢ］）を示すグラフである。従来技術のめっきされていない市販のＣＮＴワイヤの挿入損失は約２～４ギガヘルツ（ＧＨｚ）を超える周波数に対して著しく増加するが、ＣＮＴケーブルの挿入損失は比較的安定したままである。
表２は、図７から抽出された、従来技術のめっきされていないＣＮＴワイヤの挿入損失（ｄＢ／ｆｔ）に対するＣＮＴ糸ケーブルの実験的に得られたデータ（ギガヘルツ［ＧＨｚ］単位の異なる周波数に対する挿入損失（ｄＢ／ｆｔ））を表形式で示す。
Figure 2023095866000003
図８は、４つの異なる近似（おおよその）最小動作周波数で２８ ＡＷＧめっきワイヤを使用するＣＮＴ糸ケーブルについての遮蔽導電率（メガジーメンス／メートル［ＭＳ／ｍ］）の関数としての全ワイヤ重量（グラム／フィート［ｇ／ｆｔ］）のグラフである。提示される近似最小動作周波数は、１００メガヘルツ（ＭＨｚ）、４００ＭＨｚ、８００ＭＨｚ、および１，２００ＭＨｚである。図８はまた、従来技術のめっきされていないＣＮＴワイヤおよび従来技術の市販の銅ワイヤについての対応するデータ点を示す。
本発明の実施形態は従来技術の銅ワイヤと比較して重量節約を維持しながら、従来技術のめっきされていないＣＮＴワイヤの導電性を改善する。図８はまた、従来技術の銅線および従来技術のめっきされていないＣＮＴワイヤについて測定された遮蔽導電率の関数として測定された遮蔽重量を示す。
本発明の実施形態の重みは、信号周波数にほぼ反比例する。本発明の実施形態によれば、より高い周波数で動作する信号ワイヤに必要とされるめっきはより少ない。
本発明の実施形態は、ＲＦ信号の表皮深さ閉じ込めを提供する。
電気めっき処理の本発明の実施形態による強化は、堆積速度および前処理を制御することのうちの１つまたは複数を含む。強化は、ワイヤの導電率を増加させること、およびケーブル全体の重量を減少させることのうちの１つ以上を達成する。本発明の実施形態によれば、銅堆積速度は、約１２ミクロン／分以下である。
図９は、ＣＮＴ糸ケーブルを製造するための方法９００のフローチャートである。方法９００におけるステップの順序は、図９に示された順序に限定されず、以下の文章で説明される。いくつかのステップは、最終結果に影響を及ぼすことなく、異なる順序で行うことができる。
ステップ９１０では、堆積速度を制御して、各ワイヤが１つ以上のサブコアを含み、少なくとも１つのサブコアがＣＮＴ糸を含む、一対のワイヤのそれぞれを取り囲むようにめっきが堆積される。次に、ブロック９１０は制御をブロック９２０に移す。
ステップ９２０では、めっき付ワイヤがねじり合わされる。例えば、ねじり工程は複数のサブコアをねじり合わせることを含み、それによって、各々が複数のサブコアを含む一対のねじりワイヤを生成する。例えば、ねじり工程は、多数のサブコアを制御することを含む。例えば、ねじり工程は、複数のサブコアの少なくとも１つの近似直径を制御することを含む。次に、ブロック９２０は、制御をブロック９３０に移す。
ステップ９３０において、めっき付ねじりワイヤは、めっき付ねじりワイヤを遮蔽するように構成された電気層で取り囲まれ、それによってＣＮＴケーブルが生成される。次いで、ブロック９３０は、処理を終了する。
任意選択で、この方法は、堆積ステップの後で、周回ステップの前に実行される、めっき付ねじりワイヤの周りに誘電体を配置する追加のステップを含む。
任意選択で、この方法は、ＣＮＴ糸ケーブルを化学的に前処理する、作成ステップの前に実行される追加のステップを含む。
例えば、前処理工程は、クロロスルホン酸を用いて酸洗浄を行うことによってＣＮＴ糸ケーブルを化学的に前処理することを含む。
例えば、堆積は、約１２ミクロン／分以下の速度でめっきを堆積することを含む。
例えば、前処理工程は、ＣＮＴ糸ケーブルを溶媒で処理することを含む。
例えば、溶媒は、アセトン、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、およびメタノールのうちの１つ以上を含む。
図１０は、ＣＮＴ糸ケーブルを製造するための方法１０００のフローチャートである。方法１０００におけるステップの順序は、図１０に示された順序に限定されず、以下の説明で説明される。いくつかのステップは、最終結果に影響を及ぼすことなく、異なる順序で行うことができる。
ステップ１０１０では、クロロスルホン酸を使用して、ＣＮＴ糸を含む複数のサブコアのうちの少なくとも１つが化学的に前処理される。次に、ブロック１０１０は、制御をブロック１０２０に移す。
堆積速度を制御するステップ１０２０では、めっきは各ワイヤがサブコアを含む一対のワイヤの各々を取り囲むように堆積される。次に、ブロック１０２０は、制御をブロック１０３０に移す。
ステップ１０３０において、誘電体が、めっき付ねじりワイヤの周りに配置される。次に、ブロック１０３０は、制御をブロック１０４０に移す。
ステップ１０４０において、いくつかのサブコアを制御し、複数のサブコアのうちの少なくとも１つの近似直径を制御し、めっき付ワイヤをねじり合わせる。次に、ブロック１０４０は、制御をブロック１０５０に移す。
ステップ１０５０において、誘電体は、めっき付ねじりワイヤを遮蔽するように構成された電気層で取り囲まれ、それによってＣＮＴケーブルが生成される。次いで、ブロック１０５０は、処理を終了する。
本発明の実施形態は、多くの利点を提供する。堆積速度および前処理を制御することのうちの１つ以上を含む、電気めっき処理の本発明の実施形態による強化は、ワイヤ導電率を増大させること、および総ケーブル重量を低減することのうちの１つ以上を達成する。
本発明の実施形態によるＣＳＹによる前処理は、ワイヤを電気めっきするための理想的で滑らかな基板をもたらす。
本発明の実施形態の重みは、信号周波数にほぼ反比例する。本発明の実施形態によれば、より高い周波数で動作する信号ワイヤに必要とされるめっきはより少ない。
本発明の実施形態は、ＲＦ信号の表皮深さ閉じ込めを提供する。
金属ワイヤと比較して、本発明の実施形態は設置、統合化、試験、および動作中に、曲げ、張力、および他の誘発された機械的歪みに対して、より弾力性がある。
めっきの厚さは、高周波信号の固有表皮深さに適合するように最適化され、従来技術の銅線の代わりに強力で軽量のＣＮＴコアを使用することによって信号品質が実質的に影響を受けないことを保証する。
本発明の実施形態は、単一のねじりワイヤ対において、少なくとも約１．２５ギガビット／秒（Ｇｂｉｔ／ｓ）のデータ転送速度を提供し、これは、約３０ Ｍｂｉｔ／ｓの最大データ速度に制限される電気めっき銅を欠く従来技術のケーブルの最大データ速度の４０倍を超える。また、少なくとも約１．２５ Ｇｂｉｔ／ｓのデータ転送速度は、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）２．０のデータ転送速度の３倍以上である。
本発明の実施形態は、従来技術の金属ワイヤよりも容易に曲がるように構成された繊維状ＣＮＴコアを含む。さらに、本発明の実施形態は、従来技術の金属ワイヤよりも小さい曲げ半径を有する繊維状ＣＮＴコアを含む。さらに、本発明の実施形態は従来技術の代替物よりも柔軟であり、より小さな空間に格納されることを可能にする。
本発明の実施形態は、従来技術の金属被覆ポリマーワイヤよりも効果的に電力を伝達することができる。本発明の実施形態は、約３０メガヘルツ（ＭＨｚ）を超える周波数においてでさえも、従来技術のめっきされていないＣＮＴケーブルと比較して優れた導電率を有する。また、本発明の実施形態は、約３０ＭＨｚを超える周波数を超える場合であっても、従来技術のめっきされていないＣＮＴケーブルに比べて優れたＲＦ挿入損失を有する。
銅めっき付ＣＮＴ糸を使用する本発明の実施形態は銀、金、および銅のうちの１つまたは複数でめっき付ＣＮＴ糸を使用する本発明の実施形態と比較して、同等の電気的性能を得る際に大きな重量節約を提供する。従来技術の銅導体と比較して、本発明の実施形態は非常に軽量であり、構成要素の重量を約７２～８２％減少させ、ケーブル全体の重量を約３５～５０％減少させる。
銅めっき糸を使用する本発明の実施形態はまた、銀および金のコストが高いため、著しい費用節約効果を有する。
本発明の実施態様は、４軸糸および３軸糸のうちの１つ以上を使用することで、標準の既製のケーブルの表面積よりも大きい全ケーブル表面積を提供する。糸の総数を３本または４本のうちの１本以上に制限することによって、寄生誘導が最小限に抑えられ、ケーブルの全ＲＦ挿入損失を最小限に抑えることができる。従来のねじりケーブルから逸脱する点として、本発明の実施形態によれば、３軸糸および４軸糸のうちの１つまたは複数は、それらの外面上にのみめっきされ、それによって、重量節約率を著しく低減することなく、めっき付ワイヤアーキテクチャの、より大きなワイヤ直径への拡張性を向上させる。また、本発明の実施形態によれば、ＣＳＹ前処理は、めっき層の導電率を最大にするための最適なテンプレートを提供する。本発明の実施形態によれば、ＣＳＹ前処理はめっきのためにＣＮＴ表面の幾何学的形状を最適に調整し、その結果、めっき層の導電率が最大になる。
約４．６～５メガパスカル立方メートル／ｋｇまたは４．６～５ＭＰａ―ｍ３／ｋｇの強度を有する高強度ケーブルを提供する。
本発明等の変形の数は実質的に非限定的であることが、当業者によってさらに理解されるのであろう。したがって、上記の説明の主題は例示として解釈されるべきであり、限定的な意味で解釈されるべきではないことが意図される。
上記の代表的な実施形態は例示的な構成における特定の構成要素を用いて説明されてきたが、他の代表的な実施形態が異なる構成および／または異なる構成要素を使用して実装され得ることが、当業者によって理解されるのであろう。例えば、当業者であれば、本発明の機能を実質的に損なうことなく、特定のステップおよび特定の構成要素の順序を変更できることを理解するのであろう。例えば、２つのねじりワイヤは、異なる数のサブコアを有することができる。
本明細書で詳細に説明された代表的な実施形態および開示された主題は例および例示として提示されたものであり、限定として提示されたものではない。当業者であれば、記載された実施形態の形態および詳細に様々な変更を加えることができ、その結果、本発明の範囲内にある同等の実施形態が得られることを理解するのであろう。したがって、上記の説明の主題は例示として解釈されるべきであり、限定的な意味で解釈されるべきではないことが意図される。
１つ以上のサブコアを含み、少なくとも１つのサブコアがＣＮＴ糸を含む、めっき付ねじりワイヤの写真である。 各コアに３つのサブコアをそれぞれ備えるＣＮＴ糸ケーブルの構成要素を示す概略図である。 各コアに１つのサブコアをそれぞれ備えるＣＮＴ糸ケーブルの構成要素を示す概略図である。 各コアに４つのサブコアをそれぞれ備えるＣＮＴ糸ケーブルの構成要素を示す概略図である。 各コアに７つのサブコアをそれぞれ備えるＣＮＴ糸ケーブルの構成要素を示す概略図である。 従来技術のＣＮＴワイヤを示す顕微鏡写真である。 本発明の実施形態に従って銅めっき付ＣＮＴワイヤを示す顕微鏡写真である。 化学的に延伸されたＣＮＴ糸（ＣＳＹ）を使用して酸洗浄を実施することによって本発明の実施形態に従って前処理されたＣＮＴワイヤを示す顕微鏡写真である。 本発明の実施形態に従って銅めっき後のＣＳＹ前処理されたＣＮＴワイヤを示す顕微鏡写真である。 ２４ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２４ＡＷＧ）ワイヤおよび２８ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２８ＡＷＧ）ワイヤの両方について、小規模表面粗さおよび大規模表面欠陥の両方を示す顕微鏡写真である。 ２４ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２４ＡＷＧ）ワイヤおよび２８ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２８ＡＷＧ）ワイヤの両方について、小規模表面粗さおよび大規模表面欠陥の両方を示す顕微鏡写真である。 ２４ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２４ＡＷＧ）ワイヤおよび２８ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２８ＡＷＧ）ワイヤの両方について、小規模表面粗さおよび大規模表面欠陥の両方を示す顕微鏡写真である。 ２４ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２４ＡＷＧ）ワイヤおよび２８ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２８ＡＷＧ）ワイヤの両方について、小規模表面粗さおよび大規模表面欠陥の両方を示す顕微鏡写真である。 ２４ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２４ＡＷＧ）ワイヤおよび ２８ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２８ＡＷＧ）ワイヤの両方について、小規模表面粗さおよび大規模表面欠陥の両方を示す顕微鏡写真である。 ２４ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２４ＡＷＧ）ワイヤおよび ２８ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２８ＡＷＧ）ワイヤの両方について、小規模表面粗さおよび大規模表面欠陥の両方を示す顕微鏡写真である。 ２４ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２４ＡＷＧ）ワイヤおよび ２８ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２８ＡＷＧ）ワイヤの両方について、小規模表面粗さおよび大規模表面欠陥の両方を示す顕微鏡写真である。 ２４ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２４ＡＷＧ）ワイヤおよび２８ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（２８ＡＷＧ）ワイヤの両方について、小規模表面粗さおよび大規模表面欠陥の両方を示す顕微鏡写真である。 ４つの異なる数のサブコアを含むねじりワイヤを使用するＣＮＴ糸ケーブルの挿入損失（デシベル［ｄＢ］）に関するコンピュータシミュレーションデータを示すグラフである。 ４つの異なる数のサブコアを含むねじりワイヤを使用するＣＮＴ糸ケーブルの挿入損失（デシベル［ｄＢ］）に関するコンピュータシミュレーションデータを示すグラフである。 ２８ＡＷＧワイヤ、２４ＡＷＧワイヤ、２２ＡＷＧワイヤ、および２０ＡＷＧワイヤを使用する実施形態におけるＣＮＴ糸ケーブルのワイヤ重量を示す棒グラフであり、市販の既製（ＣＯＴＳ）銅ワイヤの同じ４本のワイヤの比較ワイヤ重量を示す。 従来技術のＣＯＴＳワイヤに対するＣＮＴ糸ケーブルの重量の減少を示す棒グラフである。 異なる周波数に対する従来技術のめっきされていない市販のＣＮＴワイヤの挿入損失に対するＣＮＴ糸ケーブルの挿入損失を示すグラフである。 ４つの異なる近似最小動作周波数で２８ ＡＷＧめっきワイヤを使用するＣＮＴ糸ケーブルの遮蔽導電率の関数としてのめっきワイヤ重量のグラフである。 ＣＮＴ糸ケーブルを製造する方法のフローチャートである。 ＣＮＴ糸ケーブルを製造する方法のフローチャートである。

Claims (17)

  1. カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ケーブルであって、
    各ワイヤが２つ以上のサブコアを含み、少なくとも１つのサブコアがＣＮＴ糸を含み、前記２つ以上のサブコアが構成する外周面が１２ミクロン／分以下の速度で堆積された、１５ミクロン以下の厚さを有する、銅を含むめっきで覆われている一対のめっき付ねじりワイヤと、
    前記めっき付ねじりワイヤを取り囲む誘電体と、
    前記誘電体を取り囲み、前記ＣＮＴケーブルを遮蔽するように構成された電気層と、
    を含み、
    前記めっきを構成する個々の銅の結晶又は粒子の寸法である粒径が１０ミクロン以下であり、四軸糸および三軸糸のうちの１つ以上を含むＣＮＴケーブル。
  2. 前記電気層は、物理層によって取り囲まれている、請求項１に記載のＣＮＴケーブル。
  3. 前記物理層が編組を含む、請求項２に記載のＣＮＴケーブル。
  4. 前記編組は、前記電気層を摩耗から保護するように構成される、請求項３に記載のＣＮＴケーブル。
  5. 少なくとも１本のねじりワイヤが、２８ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ（ＡＷＧ）ワイヤを含む、請求項１に記載のＣＮＴケーブル。
  6. 前記サブコアは、互いにねじり合わされている、請求項１に記載のＣＮＴケーブル。
  7. 前記サブコアの少なくとも１つが、化学的に処理されて、その後延伸されたＣＮＴ糸を含む、請求項１に記載のＣＮＴケーブル。
  8. 前記ＣＮＴケーブルは、６０％～９０％の既製ワイヤの銅に対する重量の減少率を提供する、請求項１に記載のＣＮＴケーブル。
  9. カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ケーブルの製造方法であって、
    各ワイヤが１つ以上のサブコアを含み、少なくとも１つのサブコアがＣＮＴ糸を含む、一対のワイヤの各々を取り囲むように、堆積速度を１２ミクロン／分以下に制御しつつ銅を含むめっきを１５ミクロン以下の厚さまで堆積させるステップであって、前記めっきを構成する個々の銅の結晶又は粒子の寸法である粒径が１０ミクロン以下であり、ステップと、
    前記サブコアの数を制御し、めっき付ワイヤをねじり合わせることで四軸糸および三軸糸のうちの１つ以上を得るステップと、
    前記めっき付ねじりワイヤを遮蔽するように構成された電気層で前記めっき付ねじりワイヤを取り囲み、それによってＣＮＴケーブルを作成するステップと、
    を含む方法。
  10. 前記堆積するステップの後であって、前記取り囲むステップより前に実行され、前記めっき付ねじりワイヤの周囲に誘電体を配置するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
  11. 前記ねじり合わせるステップは複数のサブコアを共にねじり合わせることを含み、それによって、それぞれが前記複数のサブコアを含むねじりワイヤの対を生成する、請求項９に記載の方法。
  12. 前記ねじり合わせるステップは、複数のサブコアのうちの少なくとも１つの近似直径を制御することを含む、請求項９に記載の方法。
  13. ＣＮＴ糸ケーブルを化学的に前処理する、前記作成するステップの前に実行される追加のステップを含む、請求項９に記載の方法。
  14. 前記前処理するステップが、クロロスルホン酸を使用して前記ＣＮＴ糸ケーブルを化学的に前処理することを含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記前処理するステップが、前記ＣＮＴ糸ケーブルを溶媒で処理することを含む、請求項１３に記載の方法。
  16. 前記溶媒が、アセトン、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、およびメタノールのうちの１つ以上を含む、請求項１５に記載の方法。
  17. カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）糸ケーブルの製造方法であって、
    クロロスルホン酸を使用して、ＣＮＴ糸を含む複数のサブコアの少なくとも１つを化学的に前処理し、
    各ワイヤが前記サブコアを含む一対のワイヤの各々を取り囲むように、堆積速度を１２ミクロン／分以下に制御しつつ銅を含むめっきを１５ミクロン以下の厚さまで堆積し、前記めっきを構成する個々の銅の結晶又は粒子の寸法である粒径が１０ミクロン以下であり、
    前記めっき付ワイヤの周囲に誘電体を配置し、
    前記サブコアの数を制御し、前記複数のサブコアのうちの少なくとも１つの近似直径を制御し、前記めっき付ワイヤをねじり合わせことで四軸糸および三軸糸のうちの１つ以上を取得し、
    前記めっき付ねじりワイヤを遮蔽するように構成された電気層で誘電体を取り囲み、それによってＣＮＴケーブルを生成する、
    方法。
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