一種復合型石墨烯光纖電纜及制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明電力輸電領域，具體涉及一種可以同時輸送電力和傳輸信號的電力光纜即一種復合型石墨烯光纖光纜及制備方法。
【背景技術】
[0002]光纖電纜也就是電力光纜是指把光纖放置在架空高壓輸電線的地線中，用以構成輸電線路上的光纖通信網(wǎng)，這種結構形式兼具電纜與通信雙重功能，一般稱作0PGW光纜，還有一種是在傳統(tǒng)的相線結構中將光纖單元復合在導線中的光纜，是充分利用電力系統(tǒng)自身的線路資源，特別是電力配網(wǎng)系統(tǒng)，避免在頻率資源、路由協(xié)調(diào)、電磁兼容等方面與外界的矛盾，使之具有傳輸電能及通信的雙重功能。
[0003]從目前來看，電力光纖主要是把金屬電纜和石英光纖簡單的復合在一起，這樣制作工藝復雜，成本高，且由于光纖和電纜簡單的復合，由于兩種材質(zhì)屬性不一樣，導致產(chǎn)品一致性差，且安裝使用復雜，難以推廣應用。
[0004]石墨烯結構非常穩(wěn)定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應外力，也就保持了結構穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結構使碳原子具有優(yōu)秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小，同時，石墨烯是世上最薄也是最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；導熱系數(shù)高達5300 ff/(m.K)，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子迀移率超過15 000 cm2八V.s)，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10_6 Ω.cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低，電子跑的速度極快，石墨烯是世界上導電性最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。
[0005]目前國內(nèi)在光纖電纜技術有本發(fā)明人在2014年申請公開的一種銅基石墨烯光纖電纜，公開號CN204143944U，該技術特征是在在于石英光纖纖芯外層包裹一層石英光纖包層，在石英光纖包層上鍍上一層銅鍍層，在銅鍍層的外層沉積生長一層石墨烯膜層，構成單根銅基石墨烯光纖。這種技術由于在鍍銅上生長石墨烯要在高溫爐中進行，其溫度要在800-1000°C，這樣對鍍銅面和石英光纖線芯都有一定的損害，且制作工藝復雜，生產(chǎn)成本較高，不宜推廣和產(chǎn)業(yè)化，亟待解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有石墨烯電光纜存在的問題，解決傳統(tǒng)電光纜成本高，安裝維護困難控制系統(tǒng)復雜，安全可靠性低問題。本發(fā)明提供一種復合型石墨烯光纖光纜及制備方法。
[0007]本發(fā)明為實現(xiàn)其目的所采取的技術方案:一種復合型石墨烯光纖光纜及制備方法，其中復合型石墨烯光纖光纜，包括:石英光纖，石英光纖包層，銅箔石墨烯膜層，保護絕緣層。其特征在于在銅箔上用CVD法沉積生長一層石墨烯薄膜，形成銅箔石墨烯膜層，銅箔石墨烯膜層的銅箔側涂覆膠粘層，石英光纖的纖芯外層包裹一層石英光纖包層，把生長石墨烯薄膜的銅箔卷繞在石英光纖的外層，構成石墨烯光纖導電體，石墨烯光纖導電體的外側涂覆一層絕緣保護層，構成石墨烯光纖電纜。由于石墨烯具有高導電性，其電子迀移率是銅的100倍以上，石墨烯導電層是電力傳輸介質(zhì)，由于銅的電導率比石墨烯低很多，經(jīng)過銅箔層的電子較少，對光纖纖芯起到信號屏蔽，使光纖纖芯的光信號不受外層導電層的電信號影響，保證了光信號的穩(wěn)定性和低衰減性，內(nèi)部的石英光纖是光信號傳輸介質(zhì)，光信息信號從石英光纖傳輸，在同一根石墨烯光纖電纜里實現(xiàn)電力和光信號的同步傳輸。
[0008]所述的銅箔，其特征在于銅箔是長帶狀，銅箔的長度在l-10km，寬度10-20cm，厚度為10-500μπι，銅的純度98-100%，銅箔上石墨烯膜層的厚度為10-100μπι。
[0009]所述的石墨烯光纖光纜，其特征在于石英光纖的包層外卷繞銅箔石墨烯膜層，銅箔石墨烯膜層的卷繞次序為銅箔層緊靠石英光纖包層為卷繞內(nèi)側，石墨烯膜層為卷繞外側，銅箔石墨烯膜層的層數(shù)1-100層。
[0010]所述的石墨烯光纖光纜，其特征在于石英光纖的包層外卷繞銅箔石墨烯膜層，銅箔石墨烯膜層在卷繞時，銅箔層涂上一層膠粘層，膠粘層的厚度為50-300μπι，把銅箔與石英光纖的包層緊緊粘接在一起，然后連續(xù)卷繞層層膠粘。
[0011]所述的石墨烯膜層，其特征在于石墨烯膜層為二維六角型呈蜂巢晶格的平面單原子層薄膜，附著在銅箔層上的石墨烯膜層數(shù)為1-20層。
[0012]所述的石墨烯光纖光纜，其特征在于由1-100石墨烯光纖導電體的外側涂覆一層絕緣層，構成一束墨烯導電光纖，外面包裹絕緣層，絕緣層為聚乙烯或聚氯乙烯，構成石墨烯光纖電纜，石墨烯導電層是電力傳輸介質(zhì)，內(nèi)部的石英光纖是光信號傳輸介質(zhì)，在同一根石墨烯光纖電纜里實現(xiàn)電力和光信號的同步傳輸。
[0013]一種復合型石墨烯光纖光纜的制備方法，該方法主要包括以下幾個過程:一、銅箔生長石墨烯膜層過程，二、銅箔石墨烯膜層在光纖上連續(xù)卷繞過程，三、光纖導電體外層涂覆絕緣層過程。
[0014]—、銅箔生長石墨烯膜層過程，按如下步驟進行:
1、啟動連續(xù)上產(chǎn)石墨烯高溫沉降爐，預熱并調(diào)試各儀表參數(shù)及機械傳動裝置；
2、預調(diào)試階段，將長100米寬20厘米銅箔安置于預熱室的銅箔支架上，并把銅箔通過各個絕熱隔板的縫隙分別放置于相應的輥軸上，開啟計時器，調(diào)試傳動裝置，設定轉速，使銅箔在高溫沉降室的迂回時間為40分鐘，開啟循環(huán)冷卻裝置，動力裝置處于待啟動狀態(tài)；
3、系統(tǒng)清洗階段，開啟預熱室的預加熱裝置，并開啟各個工作室的清洗氣的進氣閥和出氣閥，向整個系統(tǒng)以400sccm氬氣通入清洗各工作室，使工作室內(nèi)為無氧環(huán)境;繼續(xù)向系統(tǒng)內(nèi)充入氬氣至整個系統(tǒng)內(nèi)壓強為0.1Mpa，并觀察氧氣檢測儀的氧氣成分，氧氣含量在
0.01PPM以下，封閉各工作室的進氣閥和抽氣閥;此處的氣壓為正壓條件，經(jīng)大量實驗證實，當正壓條件為0.05MPa-0.25MPa時，反應效果最佳，這里優(yōu)選為0.1Mpa；
4、系統(tǒng)升溫階段，將完成步驟2的高溫沉降室內(nèi)溫度在50分鐘內(nèi)升至1000°C，并保持1000°C的恒定溫度30分鐘；
5、沉降生長階段，恒溫階段結束后，保持恒溫溫度打開高溫沉降室的原料氣的進氣閥和出氣閥，將流量為50SCCm的高純甲烷氣體和流量為500SCCm的氬氣同時向高溫沉降室通入40分鐘，啟動傳動裝置，各輥軸轉動，銅箔移動，并維持系統(tǒng)內(nèi)氣壓為0.0lMPa;
6、降溫檢測階段，高溫沉降室內(nèi)的銅箔上不斷沉降生長石墨烯，隨著時間推移，出離高溫沉降室的石墨烯銅箔通過預冷室和快速降溫時，這時石墨烯薄層溫度已降至室溫25°C左右，石墨烯薄層通過石墨烯檢測儀進行檢測，以確定石墨烯薄層質(zhì)量、層數(shù)，直到生產(chǎn)相應的卷長時，在銅猜的表面生長有石墨稀月吳；
7、取出已生長石墨烯膜層的銅箔，經(jīng)過檢測，裝箱備用。
[0015]二、銅箔石墨稀膜層在光纖上連續(xù)卷繞過程，按如下步驟進行:
1、預卷繞階段，將已制備好的銅箔石墨烯膜放入卷繞機中，調(diào)整卷繞機各設定參數(shù)，并把已調(diào)和好的膠粘層放入膠粘盒中待用；
2、粘接卷繞階段，啟動卷繞機，銅箔石墨烯膜的銅箔側涂覆膠粘層，形成膠粘層，膠粘層的厚度為ΙΟΟμπι，銅箔石墨烯膜圍繞石英光纖進行卷繞，該卷繞方式是橫向錯位卷繞，由于銅箔石墨烯膜錯位卷繞在軸向上產(chǎn)生錯位位移，卷繞銅箔石墨烯膜的石英光纖不斷移動，這樣就實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，形成成卷的石墨烯導電體。
[0016]三、光纖導電體外層涂覆絕緣層過程，本過程與傳統(tǒng)的電纜絕緣層的涂覆方案相同，這里不再敘述。
[0017]通過以上步驟，一根完整的石墨烯光纖電纜制作完成。
[0018]本發(fā)明的有益效果:
1、由于采用了石墨烯作為導電體，大大降低了導體的電阻率，提高了輸電效率，石墨烯強度大，質(zhì)量輕便于安裝維護，同時，石墨烯耐氧化不腐蝕，使電纜壽命大大加強。
[0019]2、在銅箔上直接生長石墨烯，使石墨烯膜層沉積生長在銅箔上，生產(chǎn)工藝簡單，石墨烯附著力強，石墨烯電光纜性能穩(wěn)定可靠。
[0020]3、米用輸電和傳輸信息一體化設計，改變了傳統(tǒng)輸電和信息傳輸模式，實現(xiàn)一根電纜具備輸電和傳輸信息的雙重功能。
[0021]4、采用銅箔石墨烯膜層卷繞在石英光纖上，方法便捷，可連續(xù)生產(chǎn)，工作效率高，成本低，便于應用。
[0022]由于采用了上述技術方案，從而使本發(fā)明實解決傳統(tǒng)電力電纜應用的制約條件，石墨烯與光纖的有機結合，實現(xiàn)了輸電的高效，低成本，安全可靠，有利于電力和通信事業(yè)的發(fā)展。
【附圖說明】
[0023]以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0024]圖1、本發(fā)明一種復合型石墨烯光纖光纜截面結構示意圖；
圖2、本發(fā)明一種復合型石墨烯光纖光纜銅箔石墨烯膜示意圖；
圖3、本發(fā)明一種復合型石墨烯光纖光纜的石英光纖導電體示意圖；
1、銅箔石墨烯膜層，11、銅箔，12、石墨烯膜，13、膠粘層，2、石英光纖，21、石英光纖包層，3、絕緣保護層，4、石英光纖導電體。
【具體實施方式】
[0025]—種復合型石墨烯光纖光纜，包括:石英光纖2，石英光纖包層21，銅箔石墨烯膜層1，保護絕緣層3。其特征在于在銅箔11上用CVD法沉積生長一層石墨烯薄膜12，形成銅箔石墨烯膜層1，銅箔石墨烯膜層1的銅箔11側涂覆膠粘層13，石英光纖2的纖芯外層包裹一層石英光纖包層21，把生長石墨烯膜12的銅箔11卷繞在石英光纖2的外層，構成石墨烯光纖導電體4，石墨烯光纖導電體4的外側涂覆一層絕緣保護層3，構成石墨烯光纖電纜。由于石墨烯具有高導電性，其電子迀移率是銅的100倍以上，石墨烯導電層是電力傳輸介質(zhì)，由于銅的電導率比石墨烯膜低很多，經(jīng)過銅箔層的電子較少，對光纖纖芯起到信號屏蔽，使光纖纖芯的光信號不受外層導電層的電信