[发明专利]用于制造碳-金属复合材料的方法及其用于制造电缆的用途

说明书

本发明涉及一种用于制造包含非粉状碳基导电材料和分散在所述非粉状碳基导电材料内的金属纳米颗粒的复合材料的方法、所述复合材料、该复合材料用于制造导电元件的用途、以及一种包含至少一种此种复合材料作为导电元件的电缆。

本发明涉及一种用于制造包含非粉状碳基导电材料和分散在所述非粉状碳基导电材料内的金属纳米颗粒的复合材料的方法、所述复合材料、该复合材料用于制造导电元件的用途、以及一种包含至少一种此种复合材料作为导电元件的电缆。

本发明典型地但不排他地适用于机动车辆、航空、计算机、电子产品(例如半导体)和建筑领域，在这些领域中复合材料正越来越多地被使用。此类复合材料可以包含金属(例如铝、镁、钛等)基体和作为增强剂的碳基试剂(例如碳纤维)。为了试图调和金属的品质(延展性、传导性、良好的耐老化性和耐高温性等)与碳基试剂特有的轻度(lightness)和良好的机械特性，制备了复合材料。

本发明更具体地适用于在架空、海底或地下电力传输或航空领域中的低压(特别是小于6kV)或中压(特别是从6至45-60kV)或高压(特别是大于60kV，并且其范围可以最高达800kV)的电力电缆，无论它们是直流电还是交流电。

还更具体地，本发明涉及一种电缆，该电缆展现出良好的机械特性，特别是在拉伸强度方面，和良好的电气特性，特别是在导电性方面。

许多研究已经专注于通过金属颗粒对碳纳米管(CNT)进行官能化和/或改性以便产生CNT-金属纳米复合材料。特别地，已知的是在没有电流的供应或循环的情况下(即在无需人为供应电子的情况下)将金属纳米颗粒沉积在CNT表面上，以便还原希望沉积在CNT上的金属离子(被称为“无电沉积”或ELD的方法)。此“无电”化学沉积方法是基于在水溶液中同时存在有待还原(即有待沉积)的金属离子和还原剂。反应还需要存在催化剂，该催化剂可以是希望覆盖的表面或希望还原和沉积的金属原子。举例来说，国际申请WO 2014/173793 A1描述了一种“无电”化学沉积方法，该方法包括：官能化CNT以便将含氧有机基团(例如醇、醚、羧酸)接枝到其表面的步骤；用氯化锡和氯化钯(催化剂)的酸溶液浸渍CNT以便活化CNT的步骤；将官能化且活化的CNT与含有有待沉积的金属盐(例如，如果希望沉积铜的话CuSO₄·5H₂O，如果希望沉积银的话硝酸银)的水溶液混合的步骤。金属离子通过还原剂(例如甲醛)还原并在CNT表面处沉积，在该处存在高度反应性的钯离子。一旦金属(例如铜、银)纳米颗粒被沉积，它们使得能够实现剩余的沉积，并且在CNT表面上获得金属涂层。然而，此“无电”化学沉积方法未使得能够获得高的金属生长速率。而且，该方法不适用于使得能够实现非粉状碳基导电材料(例如呈纤维或纱线形式的碳纳米管)内的金属纳米颗粒的均匀分散，因为此种材料需要纳米颗粒在表面处但也在一定深度处的渗透。此外，用锡和钯进行活化的步骤导致希望获得的复合材料中的污染源。最后，只有具有比还原剂或CNT的氧化还原电势更高的氧化还原电势的金属离子可以在CNT表面处被还原。由于CNT具有+0.5V对于SHE(标准氢电极)的氧化还原电势，因此不可能在不使用还原剂的情况下经由“无电”化学沉积还原铜(II)离子(Cu(NO₃)₂/Cu，+0.34V对于SHE)或银(I)离子(Ag(NH₃)₂⁺/Ag，+0.373V对于SHE)。

本发明的目的是通过提供一种用于制造碳-金属复合材料的方法克服现有技术的技术缺点，所述方法易于进行并且使得能够保证并维持金属在碳基导电基体中的良好分散，并因此获得展现出良好的机械特性和电气特性的导电元件。

本发明的第一主题是一种用于制造碳-金属复合材料的方法，其特征在于该方法至少包括以下步骤：

a)将包含金属载体和沉积在所述金属载体上的至少一种非粉状碳基导电材料的材料浸入包含水、至少一种金属M的前体、至少一种表面活性剂和至少一种有机溶剂的乳液中，以便形成沉积在该金属载体上的复合材料，该金属载体包含至少一种具有比所述金属M前体的氧化还原电势更低的氧化还原电势的金属M’，以及