專利名稱：線纜的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種線纜，尤其涉及一種基于碳納米管的線纜。
背景技術：
線纜是電子產業里較為常用的信號傳輸線材，微米級尺寸的線纜更廣泛
應用在IT產品、醫學儀器、空間設備中。傳統的線纜內部設置有兩個導體，
內導體用以傳輸電信號，外導體用以屏蔽傳輸的電信號并且將其封閉在內 部，從而使線纜具有高頻損耗低、屏蔽及抗干擾能力強、使用頻帶寬等特性，
請參見文獻"Electromagnetic Shielding of High-Voltage Cables" (M.De Wulf, P. Wouters et.al" Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 316， e908-e901 (2007))。
一般情況下，線纜從內至外的結構依次為形成內導體的纜芯、包覆在纜 芯外表面的絕緣結構、形成外導體的屏蔽結構和保護結構。其中，纜芯用來 傳輸電信號，材料以銅、鋁或銅鋅合金為主。屏蔽結構通常由多股金屬線編 織或用金屬膜巻覆在絕緣結構外形成，用以屏蔽電磁干擾或無用外部信號干 擾。對于以金屬材料形成的纜芯，最大問題在于交變電流在金屬導體中傳輸 時會產生趨膚效應(Skin Effect)。趨膚效應使金屬導體中通過電流時的有效截 面積減小，從而使導體的有效電阻變大，導致線纜的傳輸效率降低或傳輸信 號丟失。另外，以金屬材料作為纜芯及屏蔽結構的線纜，其強度較小，質量 及直徑較大，無法滿足某些特定條件，如航天領域、空間設備及超細微線纜 的應用。
碳納米管是一種新型一維納米材料，其具有優異的導電性能、高的抗張 強度和高熱穩定性，在材料科學、化學、物理學等交叉學科領域已展現出廣 闊的應用前景。目前，已有將碳納米管與金屬混合形成復合材料，從而用來 制造線纜的纜芯。然而，碳納米管在金屬中為無序分散，仍無法解決上述金 屬纜芯中的趨膚效應問題。
有鑒于此，確有必要提供一種線纜，該線纜具有良好的導電性能、較強
4的機械性能、較輕的質量及較小的直徑，并且易于制造，適于低成本大量生 產。
發明內容
有鑒于此，確有必要提供一種線纜，該線纜具有良好的導電性能、較強 的機械性能、較輕的質量及較小的直徑，并且易于制造，適于低成本大量生 產。
一種線纜，包括至少一個纜芯、包覆在纜芯外的至少一個絕緣結構、包 覆在絕緣結構外的至少一個屏蔽結構和包覆在屏蔽結構外的一個保護結構， 該纜芯包括導電材料及多個碳納米管，其中，該纜芯中的碳納米管沿纜芯軸 向有序排列，該導電材料包覆于碳納米管表面。
一種線纜，包括至少一個纜芯、包覆在纜芯外的至少一個絕緣結構、包 覆在絕緣結構外的至少一個屏蔽結構和包覆在屏蔽結構外的一個保護結構， 其中，該纜芯包括至少一碳納米管線狀結構，該碳納米管線狀結構包括多個 通過范德華力首尾相連的碳納米管及一導電材料包覆于所述碳納米管表面。
與現有技術比較，本發明采用含有有序排列的碳納米管的纜芯的線纜具
有以下優點其一，由于碳納米管在纜芯中沿纜芯軸向有序排列，因此，該 含有碳納米管的纜芯具有較好的導電性能。其二，由于碳納米管具有優異的 力學性能，及較輕的質量，因此，該含有碳納米管的線纜具有比釆用純金屬 纜芯的線纜更高的機械強度及更輕的質量，適合特殊領域，如航天領域及空 間設備的應用。其三，采用導電材料及碳納米管共同形成的纜芯比采用純碳 納米管線狀結構形成的纜芯具有更好的導電性。
圖1是本發明第一實施例的線纜的截面結構示意圖。
圖2是本發明第一實施例的線纜中單根碳納米管的結構示意圖。
圖3是本發明第一實施例線纜的制造方法的流程圖。
圖4是本發明第一實施例線纜的制造裝置的結構示意圖。
圖5是本發明第一實施例的碳納米管膜掃描電鏡照片。
圖6是本發明第一實施例沉積導電材料后的碳納米管膜的掃描電鏡照片。
圖7是本發明第 一 實施例沉積導電材料后的碳納米管膜中的碳納米管的 透射電鏡照片。
圖8是本發明第一實施例的絞線結構的掃描電鏡照片。
圖9是圖8中的絞線結構中沉積有導電材料的碳納米管的掃描電鏡照片。
圖IO是本發明第二實施例線纜的截面結構示意圖。 圖11是本發明第三實施例線纜的截面結構示意圖。
具體實施例方式
以下將結合附圖詳細說明本發明實施例線纜的結構及其制備方法。
本發明實施例提供一種線纜，該線纜包括至少一纜芯、包覆在纜芯外的 至少一絕緣結構、至少一屏蔽結構和一保護結構。
請參閱圖1,本發明第一實施例的線纜IO為同軸線纜，該同軸線纜包括 一個纜芯110、包覆在纜芯110外的絕緣結構120、包覆在絕緣結構120外 的屏蔽結構130和包覆在屏蔽結構130外的保護結構140。其中，上述纜芯 110、絕緣結構120、屏蔽結構130和保護結構140為同軸設置。
該纜芯110包括至少一碳納米管線狀結構。該線狀結構為長徑比較大的 結構。具體地，該纜芯IIO可由一個單獨的碳納米管線狀結構構成，也可由 多個碳納米管線狀結構相互并排，相互扭轉或相互纏繞形成。本實施例中， 該纜芯IIO為一碳納米管線狀結構。該纜芯110的直徑可以為4.5納米~1毫 米，優選地，該纜芯的直徑為10~30微米。可以理解，當將多個碳納米管線 狀結構并排設置、扭轉設置或纏繞設置時，該纜芯的直徑不限，可達20~30 毫米。
該碳納米管線狀結構由碳納米管和導電材料構成。具體地，該碳納米管 線狀結構包括多個碳納米管，并且，每個碳納米管表面均包覆至少一導電材 料層。其中，每個碳納米管具有大致相等的長度，并且，多個碳納米管通過 范德華力首尾相連形成一碳納米管線狀結構。在該碳納米管線狀結構中，碳 納米管沿碳納米管線狀結構的軸向擇優取向排列。進一步地，該碳納米管線 狀結構可經過一扭轉過程，形成一絞線結構。在上述絞線結構中，碳納米管繞絞線結構的軸向螺旋狀旋轉排列。該碳納米管線狀結構的直徑可以為4.5 納米 1毫米，優選地，該碳納米管線狀結構的直徑為10~30微米。
請參見圖2，該碳納米管線狀結構中每一根碳納米管lll表面均包覆至 少一層導電材料。具體地，該至少一層導電材料包括與碳納米管111表面直 接結合的潤濕層112、設置在潤濕層外的過渡層113、設置在過渡層113外 的導電層114以及設置在導電層114外的抗氧化層115。
由于碳納米管111與大多數金屬之間的潤濕性不好，因此，上述潤濕層 112的作用為使導電層114與碳納米管111更好的結合。形成該潤濕層112 的材料可以為鐵、鈷、鎳、鈀或鈦等與碳納米管111潤濕性好的金屬或它們 的合金，該潤濕層112的厚度為1~10納米。本實施例中，該潤濕層112的 材料為鎳，厚度約為2納米。可以理解，該潤濕層為可選擇結構。
上述過渡層113的作用為使潤濕層112與導電層114更好的結合。形成
合的材料，該過渡層113的厚度為1~10納米。本實施例中，該過渡層113 的材料為銅，厚度為2納米。可以理解，該過渡層113為可選擇結構。
上述導電層114的作用為使碳納米管線狀結構具有較好的導電性能。形 成該導電層114的材料可以為銅、銀或金等導電性好的金屬或它們的合金， 該導電層114的厚度為1~20納米。本實施例中，該導電層114的材料為4艮， 厚度約為IO納米。
上述抗氧化層115的作用為防止在線纜10的制造過程中導電層114在 空氣中被氧化，從而使纜芯110的導電性能下降。形成該抗氧化層115的材 料可以為金或鉑等在空氣中不易氧化的穩定金屬或它們的合金，該抗氧化層 115的厚度為1~10納米。本實施例中，該抗氧化層115的材料為鉑，厚度為 2納米。可以理解，該抗氧化層115為可選擇結構。
經實驗測試可知，包覆導電材料的碳納米管線狀結構的電阻率比純碳納 米管線的電阻率有所降低。該碳納米管線狀結構的電阻率可降低到 10xl(T8Q.m~500xl(T8Q.m 。 而純碳納米管線的電阻率則為 lxlO-5Q-m ~2xl(T5Q.m。本實施例中，純碳納米管線電阻率為1.91xl(T5Q.m，碳納米管 線狀結構的電阻率為360xl(T8Q.m。
進一步地，為提高線纜10的強度，可在該抗氧化層115外進一步設置
7一強化層116。形成該強化層116的材料可以為聚乙烯醇(PVA)、聚苯撐苯 并二噪唑(PBO)、聚乙烯(PE)或聚氯乙烯(PVC)等強度較高的聚合物， 該強化層116的厚度為0.1-1微米。本實施例中，該強化層116的材料為聚 乙烯醇(PVA)，厚度為0.5微米。可以理解，該強化層116均為可選擇結構。
絕緣結構120用于電氣絕緣，可以選用聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、 聚苯乙烯、泡沫聚乙烯組合物或納米粘土-高分子復合材料。納米粘土-高 分子復合材料中納米粘土是納米級層狀結構的硅酸鹽礦物，是由多種水合硅 酸鹽和一定量的氧化鋁、堿金屬氧化物及堿土金屬氧化物組成，具耐火阻燃 等優良特性，如納米高嶺土或納米蒙脫土。高分子材料可以選用硅樹脂、聚 酰胺、聚烯烴如聚乙烯或聚丙烯等，但并不以此為限。本實施例優選泡沫聚 乙烯組合物。
所述屏蔽結構130由一導電材料形成，用以屏蔽電磁干擾或無用外部信 號干擾。具體地，所述屏蔽結構130可由多股金屬線編織或用金屬膜巻覆在 絕緣結構120外形成，也可由多個碳納米管線、單層有序碳納米管膜、多層 有序碳納米管膜或無序碳納米管膜纏繞或巻覆在絕緣結構120外形成，或可 由含有碳納米管的復合材料直接包覆在絕緣結構120表面。
其中，該金屬膜或金屬線的材料可以選擇為銅、金或銀等導電性好的金 屬或它們的合金。該碳納米管線、單層有序碳納米管膜或多層有序碳納米管 膜包括多個碳納米管片段，每個碳納米管片段具有大致相等的長度且每個碳 納米管片段由多個相互平行的碳納米管構成，碳納米管片段兩端通過范德華 力相互連接。所述碳納米管線可通過對碳納米管膜進行處理獲得。所述碳納 米管線可包括多個繞碳納米管線軸向螺旋排列的碳納米管或包括多個沿碳 納米管線長度方向排列并首尾相連的碳納米管。
該復合材料可以為金屬與碳納米管的復合或聚合物與碳納米管的復合。 該聚合物材料可以選擇為聚對苯二曱酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate， PET)、聚碳酸酯(Polycarbonate, PC )、丙烯腈一丁二烯丙烯一苯乙烯共聚物 (Acrylonitrile-Butadiene Styrene Terpolymer， ABS )、聚碳酸酉旨/丙烯腈一丁二 烯一苯乙烯共聚物(PC/ABS)等高分子材料。將碳納米管均勻分散于上述 聚合物材料的溶液中，并將該混合溶液均勻涂覆于絕緣結構120表面，待冷 卻后形成一含碳納米管的聚合物層。可以理解，該屏蔽結構130還可由碳納米管復合膜或碳納米管復合線狀結構包裹或纏繞在絕緣結構120外形成。具 體地，所述碳納米管復合膜或碳納米管復合線狀結構中的碳納米管有序排 列，并且，該碳納米管表面包覆至少一層導電材料。進一步地，該屏蔽結構 130還可由上述多種材料在絕緣結構120外組合構成。
保護結構140由絕緣材料制成，可以選用納米粘土 -高分子材料的復合 材料，其中納米粘土可以為納米高嶺土或納米蒙脫土，高分子材料可以為硅 樹脂、聚酰胺、聚烯烴如聚乙烯或聚丙烯等，但并不以此為限。本實施例優 選納米蒙脫土-聚乙烯復合材料，其具有良好的機械性能、耐火阻燃性能、 低煙無閨性能，不僅可以為線纜IO提供保護，有效抵御機械、物理或化學 等外來損傷，同時還能滿足環境保護的要求。
請參閱圖3及圖4,本發明實施例中線纜10的制備方法主要包括以下步
驟
步驟一提供一碳納米管陣列216，優選地，該陣列為超順排碳納米管 陣列。
本發明實施例提供的碳納米管陣列216為單壁碳納米管陣列，雙壁碳納 米管陣列，及多壁碳納米管陣列中的一種或多種。本實施例中，該超順排碳 納米管陣列的制備方法采用化學氣相沉積法，其具體步驟包括(a)提供一 平整基底，該基底可選用P型或N型硅基底，或選用形成有氧化層的硅基底， 本實施例優選為采用4英寸的硅基底；(b )在基底表面均勻形成一催化劑層， 該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之 一；(c)將上述形成有催化劑層的基底在700~900。C的空氣中退火約30分 鐘 90分鐘；(d)將處理過的基底置于反應爐中，在保護氣體環境下加熱到 500~740°C，然后通入碳源氣體反應約5~30分鐘，生長得到超順排碳納米管 陣列，其高度為200~400微米。該超順排碳納米管陣列為多個彼此平行且垂 直于基底生長的碳納米管形成的純碳納米管陣列。通過上述控制生長條件， 該超順排碳納米管陣列中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬 顆粒等。該超順排碳納米管陣列中的碳納米管彼此通過范德華力緊密接觸形 成陣列。該超順排碳納米管陣列與上述基底面積基本相同。
本實施例中碳源氣可選用乙炔、乙烯、曱烷等化學性質較活潑的碳氫化 合物，本實施例優選的碳源氣為乙炔；保護氣體為氮氣或惰性氣體，本實施
9例優選的保護氣體為氬氣。
步驟二采用一拉伸工具從所述碳納米管陣列216中拉取獲得一碳納米 管結構214。
所述碳納米管結構214優選為一具有一定寬度的碳納米管膜，該碳納米 管膜的制備方法包括以下步驟(a)從上述碳納米管陣列216中選定一個或 具有一定寬度的多個碳納米管，本實施例優選為采用具有一定寬度的膠帶、 鑷子或夾子接觸碳納米管陣列216以選定一個或具有一定寬度的多個碳納米 管；(b)以一定速度沿基本垂直于碳納米管陣列216生長方向拉伸該多個碳 納米管，從而形成首尾相連的多個碳納米管片段，進而形成一連續的碳納米 管膜。
在上述拉伸過程中，該多個碳納米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐漸 脫離基底的同時，由于范德華力作用，該選定的多個碳納米管片段分別與其 它碳納米管片段首尾相連地連續地被拉出，從而形成一連續、均勻且具有一 定寬度的碳納米管膜。請參閱圖5，該碳納米管膜包括多個擇優取向排列的 碳納米管。進一步地，該碳納米管膜包括多個首尾相連且定向排列的碳納米 管片段，該碳納米管片段兩端通過范德華力相互連接。該碳納米管片段包括 多個相互平行的碳納米管。該碳納米管膜中碳納米管的排列方向基本平行于 碳納米管膜的拉伸方向。所述碳納米管膜的長度及寬度與該碳納米管陣列 216的尺寸及步驟(a)中選定的多個碳納米管的寬度有關，所述碳納米管膜 的寬度最大不超過該碳納米管陣列216的直徑，所述碳納米管膜的長度可達 100米以上。
所述碳納米管膜包括多個碳納米管，相鄰的碳納米管之間有間隙，且該 碳納米管平行于所述碳納米管膜的表面。所述碳納米管膜可具有自支撐結 構。所謂自支撐結構即碳納米管膜中的多個碳納米管間通過范德華力相互吸 引，從而使碳納米管膜具有特定的形狀。
該直接拉伸獲得的擇優取向排列的碳納米管膜比無序的碳納米管膜具 有更好的均勻性。同時該直接拉伸獲得碳納米管膜的方法簡單快速，適宜進 行工業化應用。
步驟三形成至少一層導電材料附著于所述碳納米管結構214表面，形 成一碳納米管線狀結構222。
10所述形成至少一層導電材料附著于所述碳納米管結構214表面的方法 可采用物理方法，如物理氣相沉積法(PVD)包括真空蒸鍍或離子濺射等， 也可采用其他成膜方法，如化學方法，包括電鍍或化學鍍等。優選地，本實 施例采用物理方法中的真空蒸鍍法形成所述導電材料附著于所述碳納米管 結構214表面。
所述采用真空蒸鍍法形成至少一層導電材料的方法包括以下步驟首 先，提供一真空容器210，該真空容器210具有一沉積區間，該沉積區間底 部和頂部分別放置至少一個蒸發源212，該至少一個蒸發源212按形成至少 一層導電材料的先后順序依次沿碳納米管結構的拉伸方向設置，且每個蒸發 源212均可通過一個加熱裝置(圖未示)加熱。上述碳納米管結構214設置 于上下蒸發源212中間并間隔一定距離，其中碳納米管結構214正對上下蒸 發源212設置。該真空容器210可通過外接一真空泵(圖未示)抽氣達到預 定的真空度。所述蒸發源212材料為待沉積的導電材料。其次，通過加熱所 述蒸發源212,使其熔融后蒸發或升華形成導電材料蒸汽，該導電材料蒸汽 遇到冷的碳納米管結構214后，在碳納米管結構214上下表面凝聚，形成至 少一層導電材料附著于碳納米管結構214的表面。由于碳納米管結構214中 的碳納米管111之間存在間隙，并且碳納米管結構214厚度較薄，導電材料 可以滲透進入碳納米管結構214之中，/人而沉積在每根碳納米管111表面。 沉積至少一層導電材料后的碳納米管膜的微觀結構照片請參閱圖6和圖7。
可以理解，通過調節碳納米管結構214和每個蒸發源212的距離以及蒸 發源212之間的距離，可使每個蒸發源212具有一個沉積區。當需要沉積多 層導電材料時，可將多個蒸發源212同時加熱，使碳納米管結構214連續通 過多個蒸發源的沉積區，從而實現沉積多層導電材料。
為提高導電材料蒸汽密度并且防止導電材料被氧化，真空容器210內真 空度應達到1帕(Pa)以上。本發明實施例中，真空容器中的真空度為4x lO"Pa。
可以理解，也可將步驟一中的碳納米管陣列216直接放入上述真空容器 210中。首先，在真空容器210中采用一拉伸工具從所述碳納米管陣列中拉 取獲得一碳納米管結構214。然后，加熱上述至少一個蒸發源212，沉積至 少一層導電材料于所述碳納米管結構214表面。以一定速度不斷地從所述碳納米管陣列216中拉取碳納米管結構214，且使所述碳納米管結構214連續地通過上述蒸發源212的沉積區，進而形成所述導電材料附著于所述碳納米管結構214表面。故該真空容器210可實現碳納米管表面具有至少一層導電材料的碳納米管結構214的連續生產。
本發明實施例中，所述采用真空蒸鍍法形成至少一層導電材料的方法具體包括以下步驟形成一層潤濕層112于所述碳納米管結構214的每一碳納米管表面；形成一層過渡層113于所述潤濕層112的外表面；形成一層導電層114于所述過渡層113的外表面；形成一層抗氧化層115于所述導電層114的外表面。其中，上述形成潤濕層112、過渡層113及抗氧化層115的步驟均為可選擇的步驟。具體地，可將上述碳納米管結構214連續地通過上述各層材料所形成的蒸發源212的沉積區。
另外，在所述形成至少一層導電材料于所述碳納米管結構214表面之后，可進一步包括在所述碳納米管結構214表面形成強化層116的步驟。所述形成強化層116的步驟具體包括以下步驟將形成有至少一層導電材料的碳納米管結構214通過一裝有聚合物溶液的裝置220,使聚合物溶液浸潤整個碳納米管結構214，該聚合物溶液通過分子間作用力粘附于所述至少一層導電材料的外表面；以及凝固聚合物，形成一強化層116。
當所述碳納米管結構214寬度較小時(如0.5納米 100微米)，所述形成有至少一層導電材料的碳納米管結構214即可作為一碳納米管線狀結構222，可不需要做后續處理。
當所述碳納米管結構214寬度較大時，所述形成碳納米管線狀結構222的步驟可進一步包括對所述碳納米管結構214進行機械處理的步驟。該機械處理步驟可通過以下兩種方式實現對所述形成有至少一層導電材料的碳納米管結構214進行扭轉，形成碳納米管線狀結構222或切割所述形成有至少一層導電材料的碳納米管結構214，形成碳納米管線狀結構222。
對所述碳納米管結構214進行扭轉，形成碳納米管線狀結構222的步驟可通過多種方式實現。本實施例可采用下述兩種方式形成所述碳納米管線狀結構222:其一，通過將粘附于上述碳納米管結構214—端的拉伸工具固定于一旋轉電機上，扭轉該碳納米管結構214,從而形成一碳納米管線狀結構222。其二，提供一個尾部可以粘住碳納米管結構214的紡紗軸，將該紡紗軸的尾部與碳納米管結構214結合后，將該紡紗軸以旋轉的方式扭轉該碳納米管結構214,形成一碳納米管線狀結構222。可以理解，上述紡紗軸的旋轉方式不限，可以正轉，可以反轉，或者正轉和反轉相結合。優選地，所述扭轉該碳納米管結構的步驟為將所述碳納米管結構214沿碳納米管結構214的拉伸方向以螺旋方式扭轉。扭轉后所形成的碳納米管線狀結構222為一絞線結構，其掃描電鏡照片請參見圖8及圖9。
所述切割碳納米管結構214，形成碳納米管線狀結構222的步驟為沿碳納米管結構214的拉伸方向切割所述形成有至少一層導電材料的碳納米管結構214，形成多個碳納米管線狀結構222。上述多個碳納米管線狀結構222可進一步進行重疊、扭轉，以形成一較大直徑的碳納米管線狀結構222。
可以理解，當所述碳納米管結構214的寬度較小時，所述碳納米管結構214也可進一步進行扭轉，形成所述碳納米管線狀結構22。
進一步地，多個碳納米管線狀結構222可平行設置組成一束狀結構的碳納米管線狀結構222或相互扭轉形成一絞線結構的碳納米管線狀結構222。該束狀結構或絞線結構的碳納米管線狀結構222相比單個碳納米管線狀結構222具有較大的直徑。另外，也可將沉積有至少一層導電材料的多個碳納米管結構214重疊設置并扭轉形成一碳納米管線狀結構222。所制備的碳納米管線狀結構222的直徑不受拉取獲得的碳納米管結構214的尺寸的限制，并可根據需要制備具有任意大小的直徑的碳納米管線狀結構222。本實施例中，大約500層沉積有導電材料的碳納米管結構214重疊設置并扭轉形成一碳納米管線狀結構222,該碳納米管線狀結構222的直徑可達到3-5毫米。
可以理解，本發明并不限于上述方法獲得碳納米管線狀結構222，只要能使所述碳納米管結構214形成碳納米管線狀結構222的方法都在本發明的保護范圍之內。
所制得的碳納米管線狀結構222可進一步收集在一第一巻筒224上。收集方式為將碳納米管線狀結構222纏繞在所述第一巻筒224上。所述碳納米管線狀結構222用作纜線的纜芯110。
可選擇地，上述碳納米管結構214的形成步驟、形成至少一層導電層的步驟、強化層的形成步驟、碳納米管結構214的扭轉步驟及碳納米管線狀結構222的收集步驟均可在上述真空容器中進行，進而實現碳納米管線狀結構222的連續生產。
步驟四在所述碳納米管線狀結構222表面包覆一絕緣材料。所述絕緣材料可通過一第一擠壓裝置230包覆在所述碳納米管線狀結構222的外表面，該擠壓裝置將聚合物熔體組合物涂覆在所述碳納米管線狀結構222的表面。本發明實施例中，所述聚合物熔體組合物優選為泡沫聚乙烯組合物。 一旦碳納米管線狀結構222離開所述第一擠壓裝置230，聚合物熔體組合物就會發生膨脹，以形成所述絕緣結構120。當所述絕緣結構120為兩層或兩層以上時，可重復上述步驟。
步驟五形成屏蔽材料包覆所述絕緣材料。
提供一屏蔽材料232，該屏蔽材料232可為一帶狀結構，其可由一第二巻筒234提供。將該屏蔽材料232圍繞所述絕緣材料巻覆，以便形成屏蔽材料，進而形成所述屏蔽結構130。該屏蔽材料232可選用一金屬膜、碳納米管膜或碳納米管復合膜等膜狀結構或碳納米管線、碳納米管復合線狀結構或金屬線等線狀結構。另外，所述屏蔽材料232也可由上述多種材料形成的編織層共同組成，并通過粘結劑粘結或直接纏繞在所述絕緣材料外表面。
本發明實施例中，所述屏蔽材料232由多個碳納米管線組成，該碳納米管線直接或編織成網狀纏繞在所述絕緣材料外。每個碳納米管線包括一扭轉的碳納米管線或非扭轉的碳納米管線。所述非扭轉的碳納米管線可為將從碳納米管陣列中直接拉取獲得的碳納米管膜通過有機溶劑處理得到，該非扭轉的碳納米管線包括多個沿碳納米管線長度方向排列并首尾相連的碳納米管。所述扭轉的碳納米管線可為采用一機械力將所述碳納米管膜兩端沿相反方向扭轉獲得。該扭轉的碳納米管線包括多個繞碳納米管線軸向螺旋排列的碳納米管。
優選地，所述帶狀結構的屏蔽材料232沿縱向邊緣進行重疊，以便完全屏蔽碳納米管線狀結構222，進而形成所述屏蔽結構130。所述碳納米管線、碳納米管復合線狀結構或金屬線等線狀結構的屏蔽材料232可直接或編織成網狀纏繞在絕緣材料的外表面。具體地，所述多根碳納米管線或金屬線可通過多個繞線架236沿不同的螺旋方向巻繞在絕緣材料的外表面。可以理解，當所述屏蔽結構130為兩層或兩層以上結構時，可重復上述步驟。該采用碳納米管線形成的屏蔽結構130質量較輕。步驟六形成保護材料包覆所述屏蔽材料。
所述保護材料可通過一第二擠壓裝置240施用到所述屏蔽材料外表面。所述聚合物熔體圍繞在所述屏蔽材料的外表面被擠壓，冷卻后形成所述保護材料，進而形成保護結構140。
進一步地，可將所制造的的線纜收集在一第三巻筒260上，以便于儲存和裝運。
請參閱圖9,本發明第二實施例提供一種線纜30包括多個纜芯310 (圖9中共顯示七個纜芯)、每一纜芯310外覆蓋一個絕緣結構320、包覆在多個纜芯310外的一個屏蔽結構330和一個包覆在屏蔽結構330外表面的保護結構340。屏蔽結構330和絕緣結構320的間隙內可填充絕緣材料。其中，每個纜芯310及絕緣結構320、屏蔽結構330和保護結構340的結構、材料及制備方法與第一實施例中的纜芯110、絕緣結構120、屏蔽結構130和保護結構140的結構、材料及制備方法基本相同。
請參閱圖10，本發明第三實施例提供一種線纜40包括多個纜芯410(圖10中共顯示五個纜芯)、每一纜芯410外覆蓋一個絕緣結構420和一個屏蔽結構430、以及包覆在多個纜芯410外表面的保護結構440。屏蔽結構430的作用在于對各個纜芯410進行單獨的屏蔽，這樣不僅可以防止外來因素對纜芯410內部傳輸的電信號造成干擾而且可以防止各纜芯410內傳輸的不同電信號間相互發生干擾。其中，每個纜芯410、絕緣結構420、屏蔽結構430和保護結構440的結構、材料及制備方法與第一實施例中的纜芯110、絕緣結構120、屏蔽結構130和保護結構140的結構、材料及制備方法基本相同。
本發明實施例提供的采用碳納米管線狀結構作為纜芯的線纜及其制備方法具有以下優點其一，碳納米管線狀結構中包含多個通過范德華力首尾相連的碳納米管束片段，且每根碳納米管表面均形成有導電材料層，其中，碳納米管束片段起導電及支撐作用，在碳納米管上沉積金屬導電層后，形成的碳納米管線狀結構比采用現有技術中的金屬拉絲方法得到的金屬導電絲更細，適合制作超細微線纜。其二，由于碳納米管為中空的管狀結構，且形成于碳納米管外表面的金屬導電層厚度只有幾個納米，因此，電流在通過金屬導電層時基本不會產生趨膚效應，從而避免了信號在線纜中傳輸過程中的衰減。其三，由于碳納米管具有優異的力學性能，且具有中空的管狀結構，因此，該含有碳納米管的線纜具有比采用純金屬纜芯的線纜更高的機械強度及更輕的質量，適合特殊領域，如航天領域及空間設備的應用。其四，采用金屬包覆的碳納米管形成的碳納米管線狀結構作為纜芯比采用純碳納米管繩作為纜芯具有更好的導電性。其五，由于碳納米管線狀結構是通過對碳納米管膜進行旋轉或直接從碳納米管陣列中拉取而制造，該方法簡單、成本較低。其六，所述從碳納米管陣列中拉取獲得碳納米管結構的步驟及形成至少一層導電材料層的步驟均可在一真空容器中進行，有利于纜芯的規模化生產，從而有利于纜線的規模化生產。其七，由于該纜芯可由多個碳納米管結構共同構成，該纜芯的直徑不限，故該線纜可用于電力傳輸領域，且由于碳納米管質量較輕，則該電力線纜質量較輕。
另外，本領域技術人員還可在本發明精神內作其它變化，當然這些依據本發明精神所作的變化，都應包含在本發明所要求保護的范圍內。
1權利要求
1. 一種線纜，包括至少一個纜芯、包覆在纜芯外的至少一個絕緣結構、包覆在絕緣結構外的至少一個屏蔽結構和包覆在屏蔽結構外的一個保護結構，該纜芯包括導電材料及多個碳納米管，其特征在于，該纜芯中的碳納米管沿纜芯軸向有序排列，該導電材料包覆于碳納米管表面。
2. 如權利要求1所述的線纜，其特征在于，所述每一碳納米管表面設置有一導 電層。
3. 如權利要求2所述的線纜，其特征在于，所述表面包覆有導電材料的碳納米 管通過范德華力首尾相連。
4. 如權利要求3所述的線纜，其特征在于，所述纜芯中的碳納米管沿纜芯軸向 擇優取向排列。
5. 如權利要求3所述的線纜，其特征在于，所述纜芯中的碳納米管繞該纜芯的 軸向螺旋狀旋轉排列。
6. 如權利要求1所述的線纜，其特征在于，所述碳納米管包括單壁碳納米管， 雙壁碳納米管或多壁碳納米管，所述單壁碳納米管的直徑為0.5納米 50納米， 雙壁^友納米管的直徑為1納米~50納米，多壁^ 友納米管的直徑為1.5納米~50納 米。
7. 如權利要求2所述的線纜，其特征在于，所述導電層的材料為銅、銀、金或 其合金，所述導電層的厚度為1~20納米。
8. 如權利要求2所述的線纜，其特征在于，所述纜芯進一步包括一潤濕層設置 于所述導電層與碳納米管表面之間，所述潤濕層的材料為鐵、鈷、鎳、鈀、鈦 或其合金，所述潤濕層的厚度為1~10納米。
9. 如權利要求8所述的線纜，其特征在于，所述纜芯進一步包括一過渡層設置 于所述導電層與潤濕層之間，所述過渡層的材料為銅、銀或其合金，所述過渡 層的厚度為1 10納米。
10. 如權利要求2所述的線纜，其特征在于，所述纜芯進一步包括一抗氧化層設 置于所述導電層外表面，所述抗氧化層的材料為金、鉑或其合金，所述抗氧化 層的厚度為1~10納米。
11. 如權利要求2所述的線纜，其特征在于，所述纜芯進一步包括一強化層設置于所述導電層外表面，所述強化層的材料為聚乙烯醇、聚苯撐苯并二噁唑、聚乙烯或聚氯乙烯，所述強化層的厚度為0.1~1微米。
12. 如權利要求l所述的線纜，其特征在于，所述的線纜為同軸線纜，該同軸線 纜包括由內至外同軸依次設置的一個纜芯、包覆纜芯外表面的一個絕緣結構、 包覆絕緣結構外表面的一個屏蔽結構和包覆屏蔽結構外表面的一個保護結構。
13. 如權利要求l所述的線纜，其特征在于，所述的線纜包括多個纜芯、多個分 別包覆在每一個纜芯外的絕緣結構、包覆絕緣結構外的一個屏蔽結構和包覆在 屏蔽結構外的 一個保護結構。
14. 如權利要求l所述的線纜，其特征在于，所述的線纜包括多個纜芯、多個分 別包覆在每一個纜芯外的絕緣結構、多個分別包覆在每一個絕緣結構外的屏蔽 結構和包覆在屏蔽結構外的一個保護結構。
15. 如權利要求l所述的線纜，其特征在于，所述屏蔽結構為線狀結構、膜狀結 構或上述兩種結構的組合，該線狀結構直接纏繞或編織成網狀纏繞在絕緣結構 外，該膜狀結構直接包覆或纏繞在絕緣結構外。
16. 如權利要求15所述的線纜，其特征在于，所述屏蔽結構為金屬線或金屬膜。
17. 如權利要求15所述的線纜，其特征在于，所述屏蔽結構包括碳納米管線及 碳納米管膜中的一種或多種。
18. 如權利要求15所述的線纜，其特征在于，所述屏蔽結構包括碳納米管線與 導電材料的復合以及碳納米管膜與導電材料的復合中的一種或多種。
19. 如權利要求l所述的線纜，其特征在于，所述屏蔽結構包括碳納米管與導電 材料的復合。
20. —種線纜，包括至少一個纜芯、包覆在纜芯外的至少一個絕緣結構、包覆在 絕緣結構外的至少一個屏蔽結構和包覆在屏蔽結構外的一個保護結構，其特征 在于，該纜芯包括至少一碳納米管線狀結構，該碳納米管線狀結構包括多個通 過范德華力首4^目連的碳納米管及一導電材料包覆于所述碳納米管表面。
21. 如權利要求20所述的線纜，其特征在于，所述纜芯包括多個相互平行、相 互扭轉或相互纏繞的碳納米管線狀結構。
22. 如權利要求20所述的線纜，其特征在于，所述碳納米管線狀結構的直徑為 4.5納米~1毫米。
全文摘要
本發明涉及一種線纜，包括至少一個纜芯、包覆在纜芯外的至少一個絕緣結構、包覆在絕緣結構外的至少一個屏蔽結構和包覆在屏蔽結構外的一個保護結構，該纜芯包括導電材料及多個碳納米管，其中，該纜芯中的碳納米管沿纜芯軸向有序排列，該導電材料包覆于碳納米管表面。
文檔編號C01B31/00GK101499331SQ200910002459
公開日2009年8月5日 申請日期2009年1月16日 優先權日2008年2月1日
發明者亮 劉, 鍇 劉, 姜開利, 翟永超, 范守善, 趙清宇 申請人:北京富納特創新科技有限公司;鴻富錦精密工業(深圳)有限公司