高导电电线及其制备方法与流程

1.本发明属于制备高导电电线技术领域，具体涉及一种高导电电线及其制备方法。


背景技术：

2.本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。
3.能源和电力工业是国家经济发展战略中的重点和基础产业，电能是能源输运和转换的重要形式。随着居民生活水平的不断提高，用电负荷与日俱增。我国电网规模大、面积覆盖广，电能通过电线、变压器等设备进行使用和转换的过程中，会产生巨大的能量损耗。
4.铜金属因其具有良好的延展性及优异的导电性，是目前应用最为广泛的电工材料。随着社会和科技的迅速发展，许多新兴技术领域对导电铜材料的要求越来越高，甚至对超高导电铜—即电导率高于纯铜的一类材料的需求日益迫切。并且如果超高导电铜材料得以全面成功的开发，可显著提高几乎所有电气系统、设备性能，并降低其能源消耗，产生巨大的经济和社会效益。
5.单晶铜丝方向是提升铜导电率的方向之一，该方向可以提升铜的导电率最高至105％iacs，但是其成本高昂，高昂的成本下，多数只能实现2％左右的导电率提升，提升幅度太小，费效比太高。
6.将导电性能较好的小粒径石墨、石墨烯、碳纳米管等与金属铜混合，通过热挤压或者冷挤压的方式，分散挤压拉伸成电线。该方法因为其内部的碳材料无法形成连续通路，其导电性能提升，但不超过5％，且存在分散不均匀，碳材料及加工成本高，费效比同样较高。
7.通过在铜丝的表面原位生长石墨烯，随后在经过热烧结，挤压拉伸成电线，导电性在105％iacs左右，最高不超过110％iacs，但制备成本高昂。


技术实现要素：

8.鉴于上述问题，本发明的第一方面提出了一种高导电电线的制备方法，包括：
9.选择指定形状和指定尺寸的铜丝作为芯层；
10.在所述芯层的表面循环交替生长石墨烯膜层和铜镀层；
11.根据生长至所需形状和所需尺寸，停止生长，高导电电线制备完成。
12.本发明在铜丝芯层上采用石墨烯膜层和铜镀层多层交替堆叠的方式，制备出所需形状和所需尺寸的电线。原位生长的石墨烯膜层和铜镀层，质量优异可控，同时可以在芯层铜丝传输方向上形成连续导通的结构，可以极大的提升电线的导电性能。原位生长的石墨烯膜层和铜镀层之间有着优异的结合力，最大程度上保障了石墨烯膜层与铜镀层之间的载流子传输效率，极大地降低了两者之间的势垒，使材料的导电性能得到了极大的提升。
13.本发明通过优化制备方法，使石墨烯膜层极为优异的电性能以及铜丝固有的电学、机械性能，得到良好的复合，进而使导电性能得到了极大的提升。本结构中，芯层及铜镀层有着很高的载流子浓度，而石墨烯膜层有着极高的载流子迁移率，原位生长、沉积法制备的多层堆叠的结构可以最大程度上降低两者之间的接触势垒，可以进一步提升载流子高效
传输这方面的优势，同时石墨烯与铜在电力的传输方向上均是连续结构，极大的减少了传输过程中的散射和损耗。
14.综合上述因素，本发明的电线，可以实现导电性能不低于110％iacs(international annealed copper standard金属或合金的导电率)，甚至可以超出标准退火铜导电率30％以上的性能优势，同时连续石墨烯膜层、连续铜镀层以及芯层，也保证了电线的机械强度，生长至所需形状和所需尺寸，停止生长，无需进行拉伸或者挤压，生产过程简化，更容易实现规模化生产，降低了生产成本。
15.在本发明的一些实施例中，所述芯层为纯度80％-99.99％的铜丝。
16.在本发明的一些实施例中，所述芯层为纯度99％-99.99％的铜丝。
17.在本发明的一些实施例中，所述芯层的截面形状为圆形、椭圆形、扇形或矩形。
18.在本发明的一些实施例中，在所述芯层的表面循环交替生长石墨烯膜层和铜镀层中，通过化学气相沉积法在所述芯层的表面生长所述石墨烯膜层，生长温度为300℃-1100℃。
19.在本发明的一些实施例中，所述石墨烯膜层的生长温度为700℃-1000℃。
20.在本发明的一些实施例中，在所述芯层的表面循环交替生长石墨烯膜层和铜镀层中，通入气体生长所述石墨烯膜层，所述气体包括氢气、烃类气体、氮气、氩气、乙醇、水汽、氧气中的一种气体或一种以上气体。
21.在本发明的一些实施例中，所述气体为氢气和甲烷的混合气体。
22.在本发明的一些实施例中，在所述芯层的表面循环交替生长石墨烯膜层和铜镀层中，生长所述石墨烯膜层的生长压强为1pa-0.2mpa。
23.在本发明的一些实施例中，所述石墨烯膜层的生长压强为100pa-5000pa。
24.在本发明的一些实施例中，在所述芯层的表面循环交替生长石墨烯膜层和铜镀层中，每次生长所述石墨烯膜层1-10层。
25.在本发明的一些实施例中，在所述芯层的表面循环交替生长石墨烯膜层和铜镀层中，每次生长所述石墨烯膜层1-3层。
26.在本发明的一些实施例中，在所述芯层的表面循环交替生长石墨烯膜层和铜镀层中，通过磁控溅射法、化学气相沉积法、原子层沉积法、蒸镀法、电镀法中的一种方法或一种以上方法在所述芯层的表面生长所述铜镀层。
27.在本发明的一些实施例中，在所述芯层的表面循环交替生长石墨烯膜层和铜镀层中，通过磁控溅射法在所述芯层的表面生长所述铜镀层。
28.在本发明的一些实施例中，在所述芯层的表面循环交替生长石墨烯膜层和铜镀层中，所述铜镀层的厚度为0.01μm-1mm。
29.在本发明的一些实施例中，所述铜镀层的厚度为0.5μm-10μm。
30.在本发明的一些实施例中，循环至少两次在所述芯层的表面循环交替生长石墨烯膜层和铜镀层。
31.本发明的第二方面提出了一种高导电电线，通过上述技术方案中的高导电电线的制备方法获得，包括铜丝、交替包覆在所述铜丝的表面的石墨烯膜层以及铜镀层。
32.本发明实施例的高导电电线与上述实施例中的高导电电线的制备方法所具有的有益效果相同，在此不再赘述。
附图说明
33.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
34.图1为本发明实施例的高导电电线的制备方法的流程图；
35.图2为本发明实施例一和实施例二中的高导电电线的截面示意图；
36.图3为本发明实施例三的高导电电线的截面示意图；
37.图4为本发明实施例四中的高导电电线的截面示意图。
38.附图中各标记表示如下：
39.1、芯层；
40.2、石墨烯膜层；
41.3、铜镀层。
具体实施方式
42.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
43.应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。
44.尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
45.为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在
……
下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。
46.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并
且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
47.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
48.如图1所示，本发明的第一方面提出了一种高导电电线的制备方法，包括：
49.选择指定形状和指定尺寸的铜丝作为芯层1；
50.在所述芯层1的表面循环交替生长石墨烯膜层2和铜镀层3；
51.根据生长至所需形状和所需尺寸，停止生长，高导电电线制备完成。
52.本发明在铜丝芯层1上采用石墨烯膜层2和铜镀层3多层交替堆叠的方式，制备出所需形状和所需尺寸的电线。原位生长的石墨烯膜层2和铜镀层3，质量优异可控，同时可以在芯层1铜丝传输方向上形成连续导通的结构，可以极大的提升电线的导电性能。原位生长的石墨烯膜层2和铜镀层3之间有着优异的结合力，最大程度上保障了石墨烯膜层2与铜镀层3之间的载流子传输效率，极大地降低了两者之间的势垒，使材料的导电性能得到了极大的提升。
53.本发明通过优化制备方法，使石墨烯膜层2极为优异的电性能以及铜丝固有的电学、机械性能，得到良好的复合，进而使导电性能得到了极大的提升。本结构中，芯层1及铜镀层3有着很高的载流子浓度，而石墨烯膜层2有着极高的载流子迁移率，原位生长、沉积法制备的多层堆叠的结构可以最大程度上降低两者之间的接触势垒，可以进一步提升载流子高效传输这方面的优势，同时石墨烯与铜在电力的传输方向上均是连续结构，极大的减少了传输过程中的散射和损耗。
54.综合上述因素，本发明的电线，可以实现导电性能不低于110％iacs(international annealed copper standard金属或合金的导电率)，甚至可以超出标准退火铜导电率30％以上的性能优势，同时连续石墨烯膜层2、连续铜镀层3以及芯层1，也保证了电线的机械强度，生长至所需形状和所需尺寸，停止生长，无需进行拉伸或者挤压，生产过程简化，更容易实现规模化生产，降低了生产成本。
55.在本发明的一些实施例中，所述芯层1为纯度80％-99.99％的铜丝。
56.在本发明的一些实施例中，所述芯层1为纯度99％-99.99％的铜丝。
57.在本发明的一些实施例中，所述芯层1的截面形状为圆形、椭圆形、扇形或矩形。
58.在本发明的一些实施例中，在所述芯层1的表面循环交替生长石墨烯膜层2和铜镀层3中，通过化学气相沉积法在所述芯层1的表面生长所述石墨烯膜层2，生长温度为300℃-1100℃。
59.在本发明的一些实施例中，所述石墨烯膜层2的生长温度为700℃-1000℃。
60.在本发明的一些实施例中，在所述芯层1的表面循环交替生长石墨烯膜层2和铜镀层3中，通入气体生长所述石墨烯膜层2，所述气体包括氢气、烃类气体、氮气、氩气、乙醇、水汽、氧气中的一种气体或一种以上气体。
61.在本发明的一些实施例中，所述气体为氢气和甲烷的混合气体。
62.在本发明的一些实施例中，在所述芯层1的表面循环交替生长石墨烯膜层2和铜镀
层3中，生长所述石墨烯膜层2的生长压强为1pa-0.2mpa。
63.在本发明的一些实施例中，所述石墨烯膜层2的生长压强为100pa-5000pa。
64.在本发明的一些实施例中，在所述芯层1的表面循环交替生长石墨烯膜层2和铜镀层3中，每次生长所述石墨烯膜层1-10层。
65.在本发明的一些实施例中，在所述芯层1的表面循环交替生长石墨烯膜层2和铜镀层3中，每次生长所述石墨烯膜层1-3层。
66.在本发明的一些实施例中，在所述芯层1的表面循环交替生长石墨烯膜层2和铜镀层3中，通过磁控溅射法、化学气相沉积法、原子层沉积法、蒸镀法、电镀法中的一种方法或一种以上方法在所述芯层1的表面生长所述铜镀层3。
67.在本发明的一些实施例中，在所述芯层1的表面循环交替生长石墨烯膜层2和铜镀层3中，通过磁控溅射法在所述芯层1的表面生长所述铜镀层3。
68.在本发明的一些实施例中，在所述芯层1的表面循环交替生长石墨烯膜层2和铜镀层3中，所述铜镀层3的厚度为0.01μm-1mm。
69.在本发明的一些实施例中，所述铜镀层3的厚度为0.5μm-10μm。
70.在本发明的一些实施例中，循环至少两次在所述芯层1的表面循环交替生长石墨烯膜层2和铜镀层3。
71.本发明的第二方面提出了一种高导电电线，通过上述技术方案中的高导电电线的制备方法获得，包括铜丝、交替包覆在所述铜丝的表面的石墨烯膜层2以及铜镀层3。
72.下面将以不同的实施例对本发明所提供的高导电电线的制备方法及制备出的高导电电线进行说明：
73.实施例一
74.如图2所示，选用直径300μm、截面为圆形的铜丝作为芯层1，铜丝的纯度为99％，通过环形周向生长石墨烯膜层2及铜镀层3的方式，进行电线的制备。
75.具体地，把芯层1铜丝送入cvd(chemical vapor deposition化学气相沉积法)设备腔体生长石墨烯膜层2，石墨烯膜层2在cvd设备腔体内的生长环境为：900℃，氢气甲烷体积比5：1，压强500pa，每次生长时，生长环境保持时间3分钟。生长完成石墨烯膜层2后的铜丝，进入真空pvd(physical vapor deposition物理气相沉积)设备镀铜以形成铜镀层，每次在石墨烯膜层2表面均匀镀5μm厚度的铜镀层，交替循环上述石墨烯膜层2生长的步骤和上述铜镀层生长的步骤，直至电线的生长直径达到2.76mm，至此电线制备完成，取出电线。
76.通过范德堡法测量电线输电方向的导电率为150％iacs，测量电线输电方向的抗拉强度不低于410n/mm2。
77.实施例二
78.如图2所示，选用直径100μm、截面为圆形的铜丝作为芯层1，铜的纯度为99.99％。通过环形周向生长石墨烯膜层2及铜镀层3的方式，进行电线的制备。
79.具体地，把芯层1铜丝送入pecvd(plasma enhanced chemical vapor deposition等离子体增强化学的气相沉积法)设备腔体生长石墨烯膜层2，石墨烯膜层2在pecvd设备腔体内的生长环境为：750℃，氢气甲烷体积比8：1，压强300pa，每次生长时，生长环境保持时间6分钟。生长完成石墨烯膜层2后的铜丝，进入真空cvd设备镀铜以形成铜镀层，每次在铜线表面均匀镀3μm厚度的铜镀层，交替循环上述石墨烯膜层2生长的步骤和上述铜镀层生长
的步骤，直至电线的生长直径达到1.78mm。至此电线制备完成，取出电线。
80.通过范德堡法测量电线输电方向的导电率为160％iacs，测量电线输电方向的抗拉强度不低于420n/mm2。
81.实施例三
82.如图3所示，选用截面宽度5mm、厚度25μm、截面为矩形的铜丝作为芯层1，铜丝的纯度为98％，通过环形周向生长石墨烯膜层2及铜镀层3的方式，进行电线的制备。
83.具体地，把芯层1送入cvd(chemical vapor deposition化学气相沉积法)设备腔体生长石墨烯膜层2，石墨烯膜层2在cvd设备腔体内的生长环境为：850℃，氢气甲烷体积比4：1，压强1000pa，每次生长时，生长环境保持时间4分钟。生长完成石墨烯膜层2后的铜丝，进入化学电镀设备镀铜以形成铜镀层，每次在石墨烯膜层2表面均匀镀15μm厚度的铜镀层，交替循环上述石墨烯膜层2生长的步骤和上述铜镀层生长的步骤，直至电线的生长厚度达3mm，至此电线制备完成，取出电线。
84.通过范德堡法测量电线输电方向的导电率为130％iacs，测量铜电线输电方向的抗拉强度不低于380n/mm2。
85.实施例四
86.如图4所示，选用截面宽度5mm、厚度50μm、截面为矩形的铜丝作为芯层1，铜丝的纯度为99.5％，通过固定单面生长石墨烯膜层2及铜镀层3的方式，进行电线的制备。
87.具体地，把芯层1送入cvd(chemical vapor deposition化学气相沉积法)设备腔体生长石墨烯膜层2，石墨烯膜层2在cvd设备腔体内的生长环境为：900℃，氢气乙炔体积比10：1，压强300pa，每次生长时，生长环境保持时间5分钟。生长完成石墨烯膜层2后的铜丝，进入真空pvd设备镀铜以形成铜镀层，每次在石墨烯膜层2表面均匀镀10μm厚度的铜镀层，交替循环上述石墨烯膜层2生长的步骤和上述铜镀层生长的步骤，直至电线的生长厚度达2mm，至此电线制备完成，取出电线。
88.通过范德堡法测量电线输电方向的导电率为140％iacs，测量电线输电方向的抗拉强度不低于390n/mm2。
89.以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。