[发明专利]一种石墨烯包覆的节能金属导线的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于降低输电金属导线的电阻技术领域，特别涉及一种石墨烯包覆的节能金属导线的制备方法。

背景技术

节能电网是输电网络未来发展的重要方向之一，对节能减排、提高能源利用效率具有重要意义。从目前电网输电损耗看，长距离输电的损耗主要取决于导线的电阻，如能通过工艺手段大幅降低输电线的电阻，将有望显著降低输电损耗。目前产业开发的各类高导电导线主要以金属合金类材料为主，通过金属复合，获得在强度、导电性能方面较为平衡的材料，但在电阻方面提高有限。

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。它是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料；导热系数高达5300Wm^-1K^-1，高于碳纳米管和金刚石；常温下其电子迁移率超过15000cm²/V·s，高于纳米碳管或硅晶体；电阻率只约10⁸Sm^-1，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展高性能电子元件或导电互连材料。结合导电应用，如能将具有超高电子迁移率，超高强度及模量，以及超高导热性的石墨烯与现有导线集合，将有望大幅提高导线的导电能力。

石墨烯目前制备方法主要有机械剥离法、外延生长法、化学氧化法、化学气相沉积法等。其中机械剥离法及外延生长法难以实现批量制备；化学氧化法生产的石墨烯缺陷较多，导电性能有限；化学气相沉积法可在金属载体表面获得大面积质量较优的石墨烯，制备的石墨烯结构较完整，导电性能较强。化学气相沉积法的原理是碳源以气相进入高温反应炉中，原位在催化物质表面裂解并沉积出石墨烯。现有的化学气相沉积制备石墨烯的研究主要集中于在金属表面获得石墨烯材料后去除载体，获得纯石墨烯材料，而利用在金属导线外原位生长的石墨烯直接作为节能导线的研究尚未见报道。

结合目前产业背景，本发明提出在金属导线外包覆高质量石墨烯，有望从导线的导电性能，机械性能，使用耐久性方面大幅提高导线性能。如能通过化学气相沉积的方法，发展石墨烯材料包覆节能金属导线的高效制备手段，获得大量的节能导线材料，将大幅提高电网的工作效率，实现节能减排。

发明内容

本发明的目的是提出一种石墨烯包覆的节能金属导线的制备方法，其特征在于，通过化学气相沉积的方法在金属导线外周表面制备石墨烯材料包覆层，将裸金属导线放入反应器中，加入碳源、在氩气和氢气的保护下在生长温度在601℃-1200℃的条件下进行石墨烯的化学气相沉积，得到石墨烯层的厚度在1纳米至1毫米之间之间；其中金属导线由石墨烯包覆金属内芯的单丝构成，或由石墨烯包覆金属内芯的单丝组合形成复合缆线结构。

所述金属导线的材质为铜、铝、铁、钢、镍或其两种以上的复合材料。

所述碳源为甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔、环己烷、二甲苯或其两种以上的混合物。

本发明有益效果是相比现有技术，具有如下优点及突出性效果：

1)输电线路电损降低：采用导线外包覆石墨烯纳米材料作为导电部分，导电率比传统金属内芯高1个数量级以上；另外，相同截面积的石墨烯材料允许的最大载流量比传统金属导线高3-6个数量级，此类新型石墨烯包覆的金属导线可有效提高导电能力，大幅降低输电损耗；有望从导电性能，机械性能，使用耐久性方面大幅提高导线性能。在于改变目前输电线主要依赖金属、线损较高、机械性能较差的现状，

2)提高输电线的机械性能：利用石墨烯包覆金属导线，可有效提高单位截面积导线的导电能力，从而在一定输电负荷下大幅降低导线重量，改善导线弧垂性能，降低杆塔高度，增大塔距，大幅降低基建投资。同时石墨烯材料具有较强的力学性能，可部分提高导线的抗拉性能。

3)提高输电线路的耐久性：导线在长期服役过程中会遭受氧化，酸性等环境，线缆的腐蚀是电网的潜在威胁。在金属线缆外部包覆的石墨烯材料具有极高的化学稳定性，耐酸、耐碱、耐氧化、耐300摄氏度以下高温，可大幅提高线缆的化学稳定性，提高使用寿命。

具体实施方式