一種基于石墨烯納米材料的導(dǎo)線的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種基于石墨烯納米材料的導(dǎo)線，屬于架空輸電線路用導(dǎo)線【技術(shù)領(lǐng)域】，解決鋁銅等傳統(tǒng)金屬材料導(dǎo)電率提高有限，架空輸電線路輸送容量有限的問(wèn)題。導(dǎo)線包括兩種結(jié)構(gòu)，形式一：導(dǎo)線包括內(nèi)層和外層，內(nèi)層由鋼或碳纖維的單絲、石墨烯納米材料的納米管單絲或復(fù)合式單絲絞繞而成，外層由圓弧型石墨烯納米材料薄片絞繞而成；形式二：導(dǎo)線由圓線型石墨烯納米材料的納米管單絲或復(fù)合式單絲絞繞而成，單絲之間相互緊貼，形成規(guī)整的管型結(jié)構(gòu)，其中，復(fù)合式單絲的圓形截面為碳纖維復(fù)合材料，圓形截面內(nèi)部為石墨烯納米材料。本發(fā)明導(dǎo)線能有效降低線路損耗，提高架空輸電線路的輸送功率，外界條件相同情況下石墨烯導(dǎo)線的允許載流量為普通導(dǎo)線的10倍。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種基于石墨烯納米材料的導(dǎo)線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于架空輸電線路導(dǎo)線【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于石墨烯納米材料的導(dǎo)線。
【背景技術(shù)】
[0002]輸電線路的損耗主要取決于導(dǎo)線的電阻，應(yīng)用高導(dǎo)電率導(dǎo)線不但可以顯著降低輸電線路損耗，還能增加輸送能力，降低全壽命周期成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。
[0003]近年來(lái)國(guó)內(nèi)陸續(xù)研發(fā)了的高導(dǎo)電率導(dǎo)線，主要從金屬材料成分方面提高導(dǎo)線的導(dǎo)電率，這些導(dǎo)線仍采用傳統(tǒng)的金屬材料，導(dǎo)電能力提高有限。
[0004]如申請(qǐng)?zhí)枮镃N200810194862.7，發(fā)明名稱(chēng)為一種高導(dǎo)電率軟鋁線及其制造方法的發(fā)明專(zhuān)利，公開(kāi)了一種高導(dǎo)電率軟鋁線及制造方法，軟鋁線的成分包括:Si < 0.08% ；Fe ^ 0.20%, Cu ^ 0.005% ;0.07-0.15%的硼，余為鋁；單位為重量百分?jǐn)?shù)。其利用軟鋁線降低輸電線路損耗，從而有效降低運(yùn)行費(fèi)用。其改進(jìn)主要是傳統(tǒng)鋁導(dǎo)線的成分，改進(jìn)效果有限。
[0005]又如申請(qǐng)?zhí)枮镃N200610002114.5，發(fā)明名稱(chēng)為銅合金導(dǎo)體及其架空導(dǎo)線、電纜以及銅合金導(dǎo)體的制造方法的發(fā)明專(zhuān)利，是對(duì)傳統(tǒng)銅合金材料的成分進(jìn)行的改進(jìn)。其技術(shù)方案為:銅合金導(dǎo)體是由在含有氧0.001~0.1重量％ (10~1000重量ppm)的銅母材中含有0.15~0.70重量％ (不包括0.15重量％ )Sn的銅合金所構(gòu)成,構(gòu)成結(jié)晶組織的晶粒的平均粒徑小于等于100 μ m,并且在結(jié)晶組織基體中彌散分布的Sn的氧化物的80%或以上是平均粒徑小于等于I μ m的微小氧化物。
[0006]同時(shí)，也有從導(dǎo)體材料的制備工藝方面進(jìn)行改進(jìn)的專(zhuān)利技術(shù)，如申請(qǐng)?zhí)枮镃N201210073600.1，發(fā)明名稱(chēng)為節(jié)能高強(qiáng)度鋁合金線及其制造方法的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)，專(zhuān)利申請(qǐng)通過(guò)熔煉、調(diào)配鋁合金、凈化、爐前快速分析、細(xì)化晶體、除氣、保溫過(guò)濾、水平澆鑄、進(jìn)軋控制和鋁桿軋制、鋁線拉拔和實(shí)效退火制備出產(chǎn)品鋁合金線。鋁合金線導(dǎo)電率在53.5%IACS以上，強(qiáng)度≥325MPa，其余性能滿足《架空導(dǎo)線用鋁-鎂-硅合金圓線》中LHAl的技術(shù)要求。
[0007]石墨烯材料具有優(yōu)異的電氣和機(jī)械性能，導(dǎo)電率約是鋁的3倍，銅的1.85倍，材料導(dǎo)電性能穩(wěn)定。同時(shí)，石墨烯材料是最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，具有極強(qiáng)的抗拉能力(約IOOGPa)。
[0008]新型納米材料石墨烯的研究歷史較短，由于其優(yōu)異的材料特性，國(guó)內(nèi)外在制備及應(yīng)用研究方面，開(kāi)展了大量的研究工作，取得了突破性的研究成果。
[0009]石墨烯材料制備方面，韓國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)制備大尺寸、高質(zhì)量石墨烯薄膜的方法；美國(guó)研究人員開(kāi)發(fā)了制造石墨烯和碳納米管混合材料的新方法，為石墨烯納米材料的工業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
[0010]石墨烯材料性能研究方面，國(guó)內(nèi)外研究人員在材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，以及應(yīng)用研究等領(lǐng)域研究開(kāi)展了大量的研究工作，為石墨烯納米材料的應(yīng)用研究提供了理論和工程應(yīng)用依據(jù)。
[0011]石墨烯材料應(yīng)用研究方面，IBM公司研制出運(yùn)行速度最快的石墨烯晶體管，此外，光子傳感器、納米電子器件、太陽(yáng)能電池、增強(qiáng)復(fù)合材料等，也都是目前石墨烯應(yīng)用研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在電力傳輸領(lǐng)域，美國(guó)科研人員利用石墨烯設(shè)計(jì)出了簡(jiǎn)便、快速的納米電線制造方法，能夠調(diào)諧石墨烯的電學(xué)特征，但其應(yīng)用主要集中在微電子領(lǐng)域，石墨烯材料在架空輸電線路用導(dǎo)線領(lǐng)域的應(yīng)用研究仍屬空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明目的在于提供一種基于石墨烯納米材料的導(dǎo)線，解決鋁銅等傳統(tǒng)金屬材料導(dǎo)電率提高有限，進(jìn)而架空輸電線路輸送容量有限的問(wèn)題，石墨烯納米材料的導(dǎo)線能有效降低線路損耗，提高架空輸電線路的輸送功率。
[0013]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0014]一種基于石墨烯納米材料的導(dǎo)線，其改進(jìn)之處在于所述導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)為:
[0015]形式一:所述導(dǎo)線包括內(nèi)層和外層，所述內(nèi)層由圓線型單絲絞繞而成，單絲之間相互緊貼，形成規(guī)整的管型結(jié)構(gòu)，所述外層設(shè)置于內(nèi)層的外圍，所述外層的橫截面為圓形結(jié)構(gòu)；
[0016]所述內(nèi)層由鋼或碳纖維的單絲、石墨烯納米材料的納米管單絲或復(fù)合式單絲絞繞而成，所述外層由石墨烯納米材料薄片絞繞而成；
[0017]所述石墨烯納米材料薄片為圓弧形結(jié)構(gòu)，圓弧角a取值范圍25° < a < 30° ;
[0018]形式二:所述導(dǎo)線由圓線型單絲絞繞而成，單絲之間相互緊貼，形成規(guī)整的管型結(jié)構(gòu)；
[0019]所述單絲為石墨烯納米材料的納米管單絲或復(fù)合式單絲絞繞而成；
[0020]其中，所述復(fù)合式單絲的圓形截面為碳纖維復(fù)合材料，圓形截面內(nèi)部為石墨烯納米材料。
[0021]本發(fā)明的另一優(yōu)選技術(shù)方案為:所述石墨烯納米材料薄片沿其圓周方向均勻分布。
[0022]本發(fā)明的再一優(yōu)選技術(shù)方案為:所述石墨烯納米材料薄片之間設(shè)有間隙。
[0023]本發(fā)明的又一優(yōu)選技術(shù)方案為:所述石墨烯納米材料薄片構(gòu)成的圓環(huán)與所述導(dǎo)線同圓心。
[0024]本發(fā)明的再一優(yōu)選技術(shù)方案為:所述相鄰層的絞繞方向相反。
[0025]本發(fā)明的又一優(yōu)選技術(shù)方案為:所述單絲絞繞成η層結(jié)構(gòu)，η為大于I的自然數(shù)。
[0026]本發(fā)明的再一優(yōu)選技術(shù)方案為:位于同一層的所述單絲沿其圓周方向均勻分布。
[0027]由于采用了上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果包括:
[0028]I)輸電線路電損降低
[0029]本發(fā)明導(dǎo)線采用石墨烯納米材料作為導(dǎo)電部分，導(dǎo)電率比鋁和銅等傳統(tǒng)金屬材料提高3倍以上，在其他外界條件相同的情況下，相同導(dǎo)電截面的石墨烯導(dǎo)線的允許載流量為普通導(dǎo)線的10倍；因此石墨烯納米材料導(dǎo)線能顯著降低線路損耗，同時(shí)提高導(dǎo)線拉重t匕，改善導(dǎo)線弧垂性能，降低桿塔高度，增大線路檔距，節(jié)省線路投資；
[0030]2)輸電線路輸送功率提高[0031]石墨烯納米材料導(dǎo)線能大幅提高輸送功率，輸電線路輸送容量增大；
[0032]3)輸電線路抗拉能力提聞
[0033]由于石墨烯納米材料具有極強(qiáng)的抗拉能力，作為導(dǎo)線的承力部分或?qū)щ姴糠?，均能顯著提高導(dǎo)線的抗拉能力。
[0034]4)導(dǎo)線通用性能良好
[0035]本發(fā)明的基于石墨烯納米材料導(dǎo)線具有不同結(jié)構(gòu)型式，能夠滿足不同輸送功率要求和不同線路運(yùn)行要求，適用能力較好。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0036]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0037]圖1是附著式石墨烯納米材料導(dǎo)線；
[0038]圖2是納米管式石墨烯納米材料導(dǎo)線；
[0039]圖3是復(fù)合式石墨烯納米材料導(dǎo)線；
[0040]圖4是附著納米管式石墨烯導(dǎo)線；
[0041]圖5是附著復(fù)合式石墨烯導(dǎo)線。
【具體實(shí)施方式】
[0042]下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
[0043]本發(fā)明提供了一種基于石墨烯納米材料的導(dǎo)線應(yīng)用于架空輸電線路，導(dǎo)線具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，能夠顯著降低輸電線路的電損，提高輸電線路的輸送功率。導(dǎo)線具有不同的結(jié)構(gòu)形式，具體結(jié)構(gòu)如下。
[0044]結(jié)構(gòu)型式一:附著式石墨烯納米材料新型導(dǎo)線
[0045]如附圖1所示，內(nèi)層為鋼或碳纖維等復(fù)合材料絞制而成，主要作為承力作用，以及石墨烯納米材料新型導(dǎo)線的基底，外層為石墨烯納米材料薄片絞制而成，是架空用輸電線路導(dǎo)線的導(dǎo)電部分。其中內(nèi)層的鋼芯或碳纖維復(fù)合芯的層數(shù)，以及外層石墨烯納米材料的片數(shù)，可根據(jù)線路實(shí)際輸送容量及線路運(yùn)行要求設(shè)計(jì)。
[0046]鋼或碳纖維材料制備成圓線型單絲，單絲之間相互緊貼，絞繞成規(guī)則管型結(jié)構(gòu)作為導(dǎo)線的內(nèi)層，在導(dǎo)線內(nèi)層的外圍設(shè)置由石墨烯納米材料薄片，石墨烯納米材料薄片構(gòu)成橫截面積為圓形的外層，石墨烯納米材料薄片沿其圓周方向均勻的分布在外層，石墨烯納米材料薄片等間距放置。石墨烯納米材料薄片為圓弧結(jié)構(gòu)，根據(jù)目前型線設(shè)計(jì)方法，本專(zhuān)利中石墨烯納米材料薄片取12?15片，相應(yīng)的圓弧角a的取值范圍為25° < a < 30°。
[0047]結(jié)構(gòu)型式二:納米管式石墨烯納米材料新型導(dǎo)線
[0048]如附圖2所示，石墨烯材料既作為導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，也作為承力和基底結(jié)構(gòu)，由不同直徑及數(shù)量的石墨烯材料納米管絞制而成。其中石墨烯材料納米管的直徑及數(shù)量根據(jù)線路設(shè)計(jì)輸送容量及線路運(yùn)行要求設(shè)計(jì)。
[0049]石墨烯材料納米管作為單絲，絞繞成規(guī)則的管型結(jié)構(gòu)，單絲之間相互緊貼，位于同一層單絲的中心軸線構(gòu)成圓形。
[0050]結(jié)構(gòu)型式三:復(fù)合式石墨烯納米材料新型導(dǎo)線
[0051]如圖3所示，圓形截面部分為基底材料，可選用碳纖維等能滿足導(dǎo)線制造和運(yùn)輸要求的復(fù)合材料，石墨烯納米材料作為導(dǎo)線部分，與碳纖維等材料復(fù)合成單絲，進(jìn)而根據(jù)需要絞制成滿足工程需要的導(dǎo)線。其中復(fù)合式石墨烯材料直徑及根數(shù)根據(jù)線路設(shè)計(jì)輸送容量及線路運(yùn)行要求設(shè)計(jì)。
[0052]復(fù)合式石墨烯材料作為單絲，絞繞成規(guī)則的管型結(jié)構(gòu)，單絲之間相互緊貼，位于同一層單絲的中心軸線構(gòu)成圓形。
[0053]結(jié)構(gòu)型式四:組合式石墨烯納米材料新型導(dǎo)線
[0054]即以上三種型式的組合型式，即附著納米管式新型石墨烯導(dǎo)線、附著復(fù)合式新型石墨烯導(dǎo)線等結(jié)構(gòu)形式。
[0055]如圖4所述為附著納米管式新型石墨烯導(dǎo)線，即以石墨烯納米管作為單絲，絞繞成規(guī)則的管型結(jié)構(gòu)作為內(nèi)層，單絲之間相互緊貼；在導(dǎo)線內(nèi)層的外圍設(shè)置由石墨烯納米材料薄片，石墨烯納米材料薄片構(gòu)成橫截面積為圓形的外層，石墨烯納米材料薄片沿其圓周方向均勻的分布在外層。石墨烯納米材料薄片為圓弧結(jié)構(gòu)，圓弧角a的取值范圍同結(jié)構(gòu)型
式一O
[0056]圖5所示為附著復(fù)合式新型石墨烯導(dǎo)線，即以結(jié)構(gòu)形式三所述的復(fù)合式石墨烯，石墨烯納米材料作為導(dǎo)線部分，與碳纖維等材料復(fù)合成單絲，然后將單絲絞繞成規(guī)則的管型結(jié)構(gòu)作為內(nèi)層，單絲之間相互緊貼；在導(dǎo)線內(nèi)層的外圍設(shè)置由石墨烯納米材料薄片，石墨烯納米材料薄片構(gòu)成橫截面積為圓形的外層，石墨烯納米材料薄片沿其圓周方向均勻的分布在外層。石墨烯納米材料薄片為圓弧結(jié)構(gòu)，圓弧角a的取值范圍同結(jié)構(gòu)型式一。
[0057]在其他外界條件相同的情況下，本發(fā)明石墨烯納米材料新型導(dǎo)線載流量，是相同導(dǎo)電截面普通導(dǎo)線載流量的10倍。其中導(dǎo)線載流量的計(jì)算依據(jù)我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，具體采用的計(jì)算公式如下:
[0058]
【權(quán)利要求】
1.一種基于石墨烯納米材料的導(dǎo)線，其特征在于所述導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)為: 形式一:所述導(dǎo)線包括內(nèi)層和外層，所述內(nèi)層由圓線型單絲絞繞而成，單絲之間相互緊貼，形成規(guī)整的管型結(jié)構(gòu)，所述外層設(shè)置于內(nèi)層的外圍，所述外層的橫截面為圓形結(jié)構(gòu)； 所述內(nèi)層由鋼或碳纖維的單絲、石墨烯納米材料的納米管單絲或復(fù)合式單絲絞繞而成，所述外層由石墨烯納米材料薄片絞繞而成； 所述石墨烯納米材料薄片為圓弧形結(jié)構(gòu)，根據(jù)目前型線設(shè)計(jì)方法，本專(zhuān)利中石墨烯納米材料薄片取12?15片，相應(yīng)的圓弧角a取值范圍為25° < a < 30° ; 形式二:所述導(dǎo)線由圓線型單絲絞繞而成，單絲之間相互緊貼，形成規(guī)整的管型結(jié)構(gòu)； 所述單絲為石墨烯納米材料的納米管單絲或復(fù)合式單絲絞繞而成； 其中，所述復(fù)合式單絲的圓形截面為碳纖維復(fù)合材料，圓形截面內(nèi)部為石墨烯納米材料。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯納米材料的導(dǎo)線，其特征在于所述石墨烯納米材料薄片沿其圓周方向均勻分布。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯納米材料的導(dǎo)線，其特征在于所述石墨烯納米材料薄片之間設(shè)有間隙。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯納米材料的導(dǎo)線，其特征在于所述石墨烯納米材料薄片構(gòu)成的圓環(huán)與所述導(dǎo)線同圓心。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯納米材料的導(dǎo)線，其特征在于所述相鄰層的絞繞方向相反。
6.如權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯納米材料的導(dǎo)線，其特征在于所述單絲絞繞成η層結(jié)構(gòu)，η為大于I的自然數(shù)。
7.如權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯納米材料的導(dǎo)線，其特征在于位于同一層的所述單絲沿其圓周方向均勻分布。
【文檔編號(hào)】H01B1/04GK103700440SQ201210367402
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月28日
【發(fā)明者】朱寬軍, 李新民, 司佳鈞 申請(qǐng)人:中國(guó)電力科學(xué)研究院, 國(guó)家電網(wǎng)公司