CN108511105A - 具有金属涂层的导电碳纳米管线及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种复合导电体。该复合导电体也可以称为复合线，包括长度至少为50毫米的由碳纳米管(CNT)形成的细长股(12)。CNT股(12)的外表面被电导率高于CNT股(12)的导电涂层(14)覆盖。该涂层可以是锡、镍、铜、金和/或银。可通过电镀、无电镀、拉伸覆层和/或激光覆层方法将所述涂层施加在CNT股(12)上。本发明还提供了由这些复合线形成的复合线缆(18)以及制备这些复合线和线缆的方法。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年2月24日提交的美国专利申请第15/441,599号的优先权。
发明技术领域
本发明一般涉及电线，更具体涉及由具有金属涂层的碳纳米管股形成的电线。
发明背景
传统上，汽车电缆由铜线导体制成，在典型的客运车辆中，该铜线导体的质量为15-28千克。为了减轻汽车质量以符合汽车排放要求，汽车制造商也开始使用铝导体。但是，铝线导体与相同尺寸的铜线相比，断裂强度和拉伸强度降低，因此不是截面小于0.75mm2(约0.5mm直径)的导线的最佳替代品。当代车辆中的许多导线是传输数据信号而不是在车辆中运送电力。通常，为数据信号电路选择导线直径取决于导线的机械强度要求而不是导线的电学性质，可使用小直径导线有效地制备电路。
成股的碳纳米管(CNT)是轻质导电体，能为小直径导线提供足够的强度。但是，CNT股目前不能为大多数汽车应用提供足够的导电性。CNT股不容易通过压接在端子上而终止。另外，CNT股不容易被焊料浸润，所以难以通过在端子上焊接来终止。
因此，仍然需要一种用于小规格布线的代替铜线导体的较小质量的替代品。
背景部分讨论的主题不能仅仅因为它在背景部分提及而被认定为现有技术。类似地，背景部分中提及的问题或与背景部分的主题相关的问题不应被认定为之前已经在现有技术中得到认识。背景部分中的主题仅仅表示不同的方法，它们本身也可以是具有发明性的。
发明概述
依据本发明的第一实施方式，提供导电体。该导电体包括长度至少为50毫米的基本由碳纳米管构成的细长股和覆盖所述股的外表面的导电涂层，其中所述导电涂层具有比所述股更高的导电性。导电涂层可主要由锡、镍、铜、金或银之类的金属材料构成。导电涂层的厚度可以等于或小于10微米。可通过电镀、无电镀、拉伸覆层或激光覆层之类的方法向外表面上施加导电涂层。
依据本发明的第二实施方式，提供多股电线组件。该多股电线组件包括多个以上段落所述的导电体。该组件还可包括压接在组件端部的电端子。该端子可以焊接或压接在组件端部。该组件还可包括覆盖导电涂层的由电介质聚合物材料形成的绝缘护套。
依据本发明的第三实施方式，提供制备导电体的方法。该方法包括以下步骤：提供长度至少为50毫米的基本由碳纳米管构成的细长股，用导电性高于所述股的导电涂层覆盖所述股的外表面。导电涂层可主要由锡、镍、铜、金或银之类的金属材料构成。导电涂层的厚度可以等于或小于10微米。覆盖所述股的外表面的步骤可包括将所述股置于金属材料的离子溶液中并使电流通过所述股的子步骤。或者，覆盖所述股的外表面的步骤可包括用薄金属材料层包裹所述股的外表面并将所述股拉过心轴的子步骤。又或者，覆盖所述股的外表面的步骤可包括将金属材料粉末施加到所述股的外表面并施加热量以烧结所述粉末化的金属材料的子步骤。施加热量的子步骤可通过使用激光来进行。又或者，覆盖所述股的外表面的步骤可包括使用无电镀方法来将金属材料施加在所述股的外表面上。
依据本发明的第四实施方式，提供了另一种多股电线组件。该组件通过包括以下步骤的方法形成：提供长度至少为50毫米的基本由碳纳米管构成的细长股，用导电性高于所述股的金属材料覆盖各股的外表面。所述金属材料是锡、镍、铜、金或银。该方法还包括以下步骤：排列多个股，使得存在一个中性股，该中心股被所述多个股中的其余的股包围。覆盖各股的外表面的步骤可使用电镀、无电镀、拉伸覆层或激光覆层之类的方法进行。所述方法还可包括以下步骤：提供电端子，并将电端子压接或焊接在多个股的一个端部。
附图简要说明
下面参照附图，仅以举例的方式描述本发明，附图中：
图1是根据一种实施方式的多股复合导电体组件的透视图；
图2是根据一种实施方式的压接在图1的多股复合导电体组件上的端子的截面图；和
图3是根据另一种实施方式的形成复合导电体组件的方法的流程图。
发明详述
与成股的金属导体相比，碳纳米管(CNT)导体具有改善的强度和降低的密度。CNT股的拉伸强度比具有相同直径的铜股高160％，比具有相同直径的铝股高330％。另外，CNT股的密度是铜股的16％，是铝股的52％。但是，CNT股的电阻比铜股高16.7倍，比铝股高8.3倍，导致电导率下降。
为了克服这种电导率下降，可以向碳纳米管股添加金属涂层，以改善电导性，同时保持强度增加、重量下降和直径减小的优势。为了形成经涂布的CNT股，可以使用电镀、无电镀和覆层方法。金属涂层还提供终止导体所需的压接和焊接性能。
对CNT股进行覆层操作可通过类似于传统铜线和铝线拉伸的拉伸方法进行。薄金属层可以卷绕在CNT股上，然后将其拉过拉伸心轴，以将两种材料挤压或压实在一起。理论上，CNT股的压实除去了碳纳米管之间的自由空间，因此也可以改善导电性。或者，可以使用金属粉末对CNT股的激光覆层来将金属涂层施加到CNT股上。
还可以使用一种电镀方法来将金属涂层粘结到CNT股上。因为CNT股的电导率接近金属的电导率，所以当CNT股被牵拉通过金属的离子溶液时，电流通过CNT股。金属离子被吸引到CNT股上，并沉积在其外表面上，在CNT股上产生金属涂层。
或者，可使用无电镀方法来将金属涂层施加到CNT股上。使CNT股通过各种溶液，以将金属镀层施加到CNT股的外表面。该方法类似于电镀法，但是，该方法使用化学方法而不是电化学方法，并且不需要电流来产生镀覆。
优选的是镍或锡的金属涂层，但是也可以使用铜、银或金(或它们的合金)的涂层，这取决于导体的电导率要求。另外，通过多次无电镀和/或电镀处理可以使用相同或不同金属的多个层。
对于所述的不同方法可能需要不同的预处理方法。这些预处理方法应该是本领域技术人员熟悉的。涂层的厚度优选约为10μm，但是，涂层的厚度可以改变以达到导体所需的电导率。
最终得到由金属涂布的CNT股形成的复合导体。该复合导体由于金属镀覆而具有较高的电导率，而且具有强度，以及与CNT股几乎相同的重量。这样由于较小直径的复合导体具有较高的强度，可以缩小线缆的尺寸。由于金属镀覆，复合导体的重量略大于CNT股的重量，但是复合导体的重量比金属导体大幅下降，由此可以得到轻质的线缆。
CNT股的高拉伸强度使得可以获得具有高拉伸强度的较小直径的导体，同时其导电性提供足够的电导率，特别是在数字信号传输应用中。CNT股的低密度还提供与金属股相比减轻的重量。
图1显示一种细长导电体10的非限制例子，该细长导电体10具有股12，所述股12的长度至少为50毫米，主要由碳纳米管构成。在汽车应用中，股12的长度可以最高达7米。碳纳米管(CNT)股12是通过将长度约为几微米到几毫米的碳纳米管纤维旋纺成所需长度和直径的股或纱线来形成的。形成CNT股12的方法可使用本领域技术人员熟悉的湿法或干法旋纺工艺。
各CNT股12的外表面被电导率高于CNT股12的导电涂层14覆盖，由此形成复合线股16。图示中导电涂层14是锡，但是导电涂层14可以另选或另外地由锡、镍、铜、金或银之类的金属材料构成。文中所用的术语“锡、镍、铜、金和银”表示所述元素的单独形式或其中所述元素是主要成分的合金。导电涂层14的厚度可以等于或小于10微米。可通过电镀、无电镀、拉伸覆层或激光覆层之类的方法向外表面施加导电涂层14，这些方法将在下文中更详细地描述。
如图1所示，复合线股16形成为复合线缆18，该复合线缆18具有中心复合线股16，该中心复合线股16被缠绕在中心线股周围的六个其它复合线股16包围。本发明的其它实施方式可包括更多或更少的以本领域技术人员熟悉的其它线缆构造设置的复合线股。复合线股16的数量和直径以及导电涂层14的厚度将基于机械强度、电导率和电流容量的考虑。复合线缆18的长度将由复合线缆18的特定应用决定。
复合线缆18被包封在由电介质材料形成的绝缘护套20内，所述电介质材料例如是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚酰胺(NYLON)或聚四氟乙烯(PFTE)。绝缘护套20的厚度优选可以在0.1-0.4毫米之间。可使用本领域技术人员熟知的挤出工艺将绝缘护套20施加在复合线缆18上。
如图2所示，复合线缆18的端部被电端子22端接，所述电端子22具有一对压接翼24，该一对压接翼24在复合线缆18上折叠，并被挤压形成复合线缆18与电端子22之间的压接连接。本发明人已经发现，使用常规压接端子和压接形成技术可以实现复合线缆18和电端子22之间令人满意的连接。或者，电端子22可以被焊接在复合线的端部。
图3显示在工件周围形成弹性密封的非限制性方法100。所述方法100包括以下步骤。
步骤110,提供碳纳米管股，包括提供长度至少为50毫米的主要由碳纳米管构成的细长股。碳纳米管(CNT)股12是通过将长度约为几微米到几毫米的碳纳米管纤维旋纺成所需长度和直径的股或纱线来形成的。形成CNT股12的方法可使用本领域技术人员熟悉的湿法或干法旋纺工艺。
步骤120,用导电涂层覆盖所述股的外表面，包括用电导率高于CNT股12的导电涂层14覆盖CNT股12的外表面，从而形成复合线股16。导电涂层14可主要由锡、镍、铜、金和/或银之类的金属材料构成。导电涂层14的厚度可以等于或小于10微米。导电涂层14可包含所列的一种或多种金属材料。
步骤121，将所述股置于金属材料的离子溶液中，该步骤是步骤120的子步骤，包括将CNT股12置于包含金属材料(例如锡、镍、铜、金或银)的离子溶液的浴中，该步骤作为电镀处理的第一步。电镀CNT股所需的化学物和溶液浓度是本领域技术人员熟知的。
步骤122，使电流通过该股，该步骤是步骤120的子步骤，包括在CNT股12处于包含金属材料的离子溶液的浴中时，使电流通过CNT股12，该步骤作为电镀处理的第二步。电镀CNT股所需的电流是本领域技术人员熟知的。
步骤123，用薄金属材料层包裹所述股的外表面，该步骤是步骤120的子步骤，包括用薄金属材料层(例如锡、镍、铜、金或银箔)包裹CNT股线12的外表面，该步骤作为拉伸覆层处理的第一步。
步骤124，将该股拉过心轴，该步骤是步骤120的子步骤，包括将被金属箔包裹的CNT股12拉过心轴，该心轴配置为在金属箔包裹的CNT股12被拉过时挤压箔和CNT股12，该步骤作为拉伸覆层处理的第二步。
步骤125，将粉末化的金属材料施加在所述股的外表面上，该步骤是步骤120的子步骤，包括将金属材料(例如锡、镍、铜、金或银)粉末施加在CNT股12的外表面，该步骤作为激光覆层处理的第一步。
步骤126，加热所述粉末化的金属材料，该步骤是步骤120的子步骤，包括通过用激光辐照粉末化的金属材料来对该材料加热，从而将金属材料烧结到CNT股12上，该步骤作为激光覆层处理的第二步。
步骤127，加热所述粉末化的金属材料，该步骤是步骤120的子步骤，包括使用无电镀方法将金属材料(例如锡、镍、铜、金或银)施加到CNT股12的外表面。无电镀法镀覆CNT股所需的化学物和溶液浓度是本领域技术人员熟知的。
步骤121-127可重复或组合，以施加多层导电涂层14，例如第一涂层(例如镍)，接着第二涂层(例如铜)，以改善第二涂层的粘附性质。
步骤130，将多个股排列为缆线，包括将多个复合线股16排列为复合线缆18，使得存在一个中心复合线股16，该中心复合线股16被其余的复合线股16包围，如图1所示。
步骤140，用绝缘护套覆盖所述线缆，包括将在步骤130中形成的复合线缆18包封在绝缘护套20内，如图1所示。绝缘护套20由电介质材料形成，所述电介质材料例如是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚酰胺(NYLON)或聚四氟乙烯(PFTE)。绝缘护套20的厚度可以优选在0.1-0.4毫米之间。可使用本领域技术人员熟知的挤出工艺将绝缘护套20施加在复合线缆18上。
步骤150，提供电端子，包括提供配置为终止复合线缆18的端部的电端子22。
步骤160，使所述端子连接至所述线缆端部，包括使电端子22连接至复合线缆18的端部。如图2所示，可通过压接方法来连接电端子22。本发明人已经确定，使用常规压接端子和压接形成技术可以实现复合线缆18和电端子22之间令人满意的连接。或者，电端子22可以被焊接在复合线缆18的端部。
因此，提供了复合线股16、复合线缆18、多股复合导电体组件10和用于生产它们的方法100。复合线股16和复合线缆18与具有相同拉伸强度的金属线和成股的金属线缆相比，具有直径减小和重量减轻的优点，同时仍然提供对于许多应用、特别是数字信号传输足够的导电性和电流容量。
虽然根据本发明的优选实施方式对本发明进行了描述，但是不旨在限制本发明，本发明仅由所附权利要求限定。而且，使用术语“第一”、“第二”等不表示任何重要性的顺序，而是术语“第一”、“第二”等用于将一种要素与另一种进行区分。而且，使用术语“一个”、“一种”等并不表示数量的限制，而是表示存在至少一个(种)所述项目。另外，方向术语，例如“上”、“下”等不表示任何特定的取向，而是术语“上”、“下”等用于将一种要素与另一种要素区分，并且建立不同要素之间的位置关系。
Claims (20)
1.一种导电体，其包含：
长度至少为50毫米的基本由碳纳米管构成的细长股(12)；和
覆盖碳纳米管股(12)的外表面的导电涂层(14)，所述导电涂层(14)的电导率大于所述碳纳米管股(12)的电导率。
2.如权利要求1所述的导电体，其特征在于，所述导电涂层(14)基本由选自下列的金属材料构成：锡、镍、铜、金和银。
3.如权利要求2所述的导电体，其特征在于，所述导电涂层(14)的厚度等于或小于10微米。
4.如权利要求1所述的导电体，其特征在于，通过选自下列的方法将导电涂层(14)施加在所述外表面上：电镀、无电镀、拉伸覆层和激光覆层。
5.一种多股(12)电线组件，其包含：
多个如权利要求1所述的导电体。
6.如权利要求5所述的组件，其特征在于，所述组件还包括压接在该组件一个端部的电端子(22)。
7.如权利要求5所述的组件，其特征在于，所述组件还包括焊接在该组件一个端部的电端子(22)。
8.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件还包括覆盖所述导电涂层(14)的由电介质聚合物材料形成的绝缘护套。
9.一种制造导电体的方法(100)，该方法包括以下步骤：
提供(110)长度至少为50毫米的基本由碳纳米管构成的细长股(12)；和
用导电涂层(14)覆盖(120)碳纳米管股(12)的外表面，所述导电涂层(14)的电导率大于所述碳纳米管股(12)的电导率。
10.如权利要求9所述的方法(100)，其特征在于，所述导电涂层(14)基本由选自下列的金属材料构成：锡、镍、铜、金和银。
11.如权利要求10所述的方法(100)，其特征在于，所述导电涂层(14)的厚度等于或小于10微米。
12.如权利要求11所述的方法(100)，其特征在于，覆盖(120)所述碳纳米管股(12)的外表面的步骤包括将股(12)置于(122)金属材料的离子溶液中并使电流通过(116)碳纳米管股(12)的子步骤。
13.如权利要求10所述的方法(100)，其特征在于，覆盖(120)股(12)的外表面的步骤包括用薄金属材料层包裹(123)碳纳米管股(12)的外表面并将所述碳纳米管股(12)拉(124)过心轴的子步骤。
14.如权利要求10所述的方法(100)，其特征在于，覆盖(120)所述碳纳米管股(12)的外表面的步骤包括将金属材料粉末施加(125)到所述碳纳米管股(12)的外表面并施加(126)热量以烧结该粉末化的金属材料的子步骤。
15.如权利要求14所述的方法(100)，其特征在于，使用激光来进行施加(126)热量的子步骤。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，覆盖(120)所述碳纳米管股(12)的外表面的步骤包括使用(127)无电镀方法来将金属材料施加在所述碳纳米管股(12)的外表面。
17.一种多股电线组件，该多股电线组件由包括以下步骤的方法(100)形成：
提供(110)长度至少为50毫米的基本由碳纳米管构成的细长股(12)；
用导电率大于各碳纳米管股(12)的金属材料覆盖(120)各碳纳米管股(12)的外表面，其中所述金属材料选自以下：锡、镍、铜、金和银；
排列(130)多个碳纳米管股(12)，使得一个中心股(12)被多个股(12)中的其余的股(12)包围。
18.如权利要求17所述的组件，其特征在于，覆盖(120)各股的外表面的步骤使用选自下列的方法进行：电镀、无电镀、拉伸覆层和激光覆层。
19.如权利要求17所述的组件，其特征在于，方法(100)还包括以下步骤：
提供(150)电端子(22)；和
将电端子(22)压接(160)至多个碳纳米管股(12)的一个端部。
20.如权利要求17所述的组件，其特征在于，方法(100)还包括以下步骤：
提供(150)电端子(22)；和
将电端子(22)焊接(160)至多个碳纳米管股(12)的一个端部。
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