TW201909195A - 電纜線之石墨烯複合材料 - Google Patents
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Abstract
本發明為有關一種電纜線之石墨烯複合材料，主要為電纜線本體，該電纜線本體係由石墨烯及鋁所組成，且該石墨烯之重量百分比為0.3wt%至3.5wt%，而該鋁之重量百分比為96.5wt%至99.7wt%。以石墨烯與純鋁的複合材料，做為電纜線本體的所有成分組成，藉此，利用石墨烯的剛性增加電纜線本體的強度，並利用石墨烯極高的面導電率，使電纜線本體在進行強化處理時，不但可增加抗拉強度(Tensile Strength)，更可同時維持鋁的導電率在61%以上，而讓電纜線本體具有較佳的抗拉強度，使高壓電塔的間距可以大幅增加，減少高壓電塔的設置。
Description
本發明為提供一種電纜線之石墨烯複合材料，尤指一種由石墨烯及純鋁組成之複合材料製成電纜線本體，而具有材料成本低、抗拉強度高(Tensile Strength)、導電率佳等特性的電纜線之石墨烯複合材料。
按，傳統電纜中通常使用銅或鋁等金屬導電材料作為電纜纜芯，並使用聚氯乙烯等聚合物材料作為外部絕緣保護材料。電纜纜芯材料尤其以銅之應用更為廣泛，其因在於銅59.6(S．m-1．106)的電導率僅次於銀63(S．m-1．106)的電導率(銀的材料成本極高，不列入考慮)。但以銅做為高空電纜的纜芯材料時，則比重及成本關係，一般改用比重較輕(銅的8.96g/cm3大於鋁的2.7g/cm3)、成本更低之鋁。
高空電纜的每一電纜為一束多個金屬線，以並排伸展且結合、絞繞或編繞在一起，而形成單一總成之兩個或兩個以上金屬線。此等金屬線常選自鋁金屬、或鋁合金製造，對用於高空電力傳輸應用之電纜，其需要的效能要求包括耐腐蝕性、環境持久性(例如：UV及濕度)、耐在高溫下之強度損失性、抗蠕變性以及相對高彈性係數、低密度、低熱膨脹係數、高電導率、高強度、及高導熱率等。
純鋁的高空電纜，因鋁本身的抗拉強度(Tensile Strength)較低、延展性較高，無法承受長距離電纜線的重量，即使經過冷加工H18的處理，其布氏硬度(Hardness Brinell)也無法突破100HB，故目前市場上有採用鋼芯鋁纜(Aluminium Conductor Steel Reinforced，ACSR)、或碳纖維纜芯鋁纜(Aluminium Conductor Composite Core，ACCC)之案例。此二者皆於純鋁的電纜線中，以類似夾心的方式在中心設置一鋼芯或碳纖維纜芯，就鋼芯而言，雖然鋼本身導電率尚可，但比重非常高，做為高空電纜時容易因重量下垂變形，至於碳纖維纜芯雖然比重極低，但碳纖維材料成本極高，即使只做為中心支撐結構，也不符成本效益， 且碳纖維本身雖非絕緣體，但電阻率遠大於鋁、導電率極低，會大大降低電纜線的導電面積。因此，鋼芯鋁纜與碳纖維鋁纜做為高空電纜，實乃存在著致命性的缺陷。
又以現今科技之高空纜線，首要的進化空間在於導電率、強度及成本三者的平衡，其中導電率為元素之先天特性無法提升，故如何在不影響導電率的前提下，以低成本的材料增加電纜線的強度，即為改良的重點。並根據材料科學之基本常識認知中，為了增加鋁的強度，一般可透過固溶強化、加工強化、散佈強化及析出強化等加工方式，因固溶強化(如合金)與散佈強化會造成導電率大幅下降，不列入考慮，而加工強化及析出強化皆可使材料硬度增加、強度提升，反之，也會使材料延伸率降低，同時因為加工動作會造成晶格受到壓縮擠壓，而使導電率受影響。
根據中華人民共和國專利證書號第CN103820685A號「導電率60%IACS中強度鋁合金線及其製備方法」，係以矽化鎂(Mg2Si)為主要的析出強化相，與純鋁混合成的複合材料做為電纜線之材料，而號稱為具有60%導電率之鋁合金線。
然上述導電率60%IACS中強度鋁合金線於使用時，為確實存在下列問題與缺失尚待改進：
一、矽化鎂(Mg2Si)屬微半導體，其導電率不佳，與純鋁混合製成時會導致鋁的導電率下滑。
二、矽化鎂(Mg2Si)的楊性系數為130GPa，其剛性條件不但小於合金或鋼的190~210GPa，更遠不及石墨烯的1000GPa。
三、矽化鎂(Mg2Si)的平均顆粒大小為100nm或更大，與純鋁混合時均勻度較 差，導致其對於提高鋁的強度之效果不甚理想。
由於電纜纜芯材料為決定電纜線電傳輸性能之關鍵，其性能好壞會直接影響到電傳輸性能之優劣，只有實現電纜纜芯材料之突破，才能發展出性能優異之新型電纜，是以，要如何解決上述習用之問題與缺失，即為本發明之發明人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。
故，本發明之發明人有鑑於上述缺失，乃蒐集相關資料，經由多方評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗，經由不斷試作及修改，始設計出此種由石墨烯及純鋁組成之複合材料製成電纜線本體，而具有材料成本低、抗拉強度高(Tensile Strength)、導電率佳等特性的電纜線之石墨烯複合材料的發明專利者。
本發明之主要目的在於：以石墨烯做為唯一的析出強化相，與純鋁混合組成一種有利於高空電纜使用之電纜纜芯材料。
本發明之另一主要目的在於：利用石墨烯低成本、高強度、高導熱及高導電等特性，與純鋁混合成具有數倍強度、高導電率、低成本等優勢的電纜線本體。
本發明之再一主要目的在於：降低電纜線本體之材料成本、減少電纜線本體的重力負擔、拉大高壓電塔間的塔距、減少高壓電塔的設置及設置成本，進而降低民眾對高壓電塔的負面觀感。
為達成上述目的，本發明之主要結構包括：一電纜線本體，該電纜線本體係由石墨烯及鋁所混合組成，且該石墨烯之重量百分比為0.3wt%至3.5wt%，而該鋁之重量百分比為96.5wt%至99.7wt%。俾當使用者將本發明用於架設高空電纜時，因本發明係以石墨烯與純鋁組成的複合材料，做為電纜線本體的所有成分組成，故可利用石墨烯的剛性增加電纜線本體的強度，並利用石墨烯極高的面導電率，使電纜線本體在進行強化處理時，不但可增加抗拉強度(Tensile Strength)，更可同時維持鋁的導電率在61%以上，而讓電纜線本體具有較佳的抗拉強度，使高壓電塔的間距可以大幅增加，減少高壓電塔的設置，尤其石墨烯本身之重量極輕、材料成本也較低，與低成本的金屬材料鋁混合製成，更能有效降低整體材料成本。
藉由上述技術，可針對習用導電率60%IACS中強度鋁合金線所存在之矽化鎂(Mg2Si)與純鋁混合製成時會導致鋁的導電率下滑、剛性條件遠不及石墨烯的強度、體積不夠小與純鋁混合時均勻度較差等問題點加以突破，達到上述優點之實用進步性。
1‧‧‧電纜線本體
11‧‧‧石墨烯
12‧‧‧鋁
2‧‧‧高壓電塔
第一圖 係為本發明較佳實施例之立體圖。
第二圖 係為本發明較佳實施例之組成示意圖。
第三圖 係為本發明較佳實施例之純鋁加工參數表
第四圖 係為本發明較佳實施例之複合材料加工參數表。
第五圖 係為本發明較佳實施例之使用狀態圖。
為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及構造，茲繪圖就本發明較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全了解。
請參閱第一圖至第五圖所示，係為本發明較佳實施例之立體圖至使用狀態圖，由圖中可清楚看出本發明係包括：一電纜線本體1，該電纜線本體1係由石墨烯11及鋁12所混合組成，且該石墨烯11之重量百分比為0.3wt%至3.5wt%，而該鋁12之重量百分比為96.5wt%至99.7wt%，其中該石墨烯11之重量百分比的最佳值係為1.5wt%，而該鋁12之重量百分比的最佳值係為98.5wt%。
其中該電纜線本體1之降伏強度(Yield Strength)係為250MPa至400MPa，且該電纜線本體1之抗拉強度(Tensile Strength)係為300MPa至450MP，並該電纜線本體1之導電率(IACS%)係為60%至65%。
藉由上述之說明，已可了解本技術之結構，而依據這個結構之對應配合，更由石墨烯11及純鋁12組成之複合材料製成電纜線本體1，而具有材料成本低、抗拉強度高(Tensile Strength)、導電率佳等特性等優勢，而詳細之解說將於下述說明。
因石墨烯11本身之導電率係為170%(以銅導電率100%為基準時，實際導電率(IACS%)為100%至170%)，屬於高導電材料，故與純鋁12混合時，不會降低電纜線本體1具有導電力的截面積大小，且在以石墨烯11做為主要析出強化相時，因石墨烯11本身為單層的平面結構，而各層皆為斷開狀態，故不會因為析出強化的動作影響鋁12的導電率，所以至少能維持鋁12原有的導電率，而配合石墨烯11的高導電率，則有機會使電纜線本體1的導電率提高到至少63%。
又因石墨烯11本身的顆粒大小為矽化鎂的數百分之一，而兩者密度比相近，故相較於矽化鎂與純鋁12的混合，本發明以石墨烯11混合純鋁12更可使石墨烯11平均分散於該鋁12之間，對於電纜線本體1機械強度之提升更有幫助。尤其石墨烯11的楊性系數(Young's modulus)係為1000GPa，乃僅次於鑽石之等級，在以石墨烯11做為主要析出強化相時，可大幅提升電纜線本體1的基礎強度三倍以上，包含降伏強度(Yield Strength)、抗拉強度高(Tensile Strength)及布氏硬度(Hardness Brinell)，而電纜線本體1的製造在抽線的時候，勢必會有冷加工之過程，因此，本發明之複合材料在經過冷加工處理後，電纜線本體1的強度會再次提升，雖然此強化動作仍然會降低延伸率(Elongation)，但也因為石墨烯11的高延展率，使純鋁12在與石墨烯11複合製成後，仍有10%至30%的表現。如第三圖及第四圖所示，則分別代表純鋁12及純鋁12結合石墨烯11後的複合材料，在經過不同強度的冷處理後，各參數的實際狀況。
此外，因石墨烯11之導熱係數為2000W/mK至5300W/mK，而將導熱係數5300W/mK的石墨烯11與鋁12組成複合材料時，整體的導熱係數也會大幅提升，同時因為電纜線本體1的強度較佳，可使電纜線本體1的截面積縮小，進而減少電纜線本體1的受熱面積，配合高導熱效果即可大幅降低電纜線本體1受熱變形的風險。
惟，以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內，合予陳明。
是以，本發明之電纜線之石墨烯複合材料為可改善習用之技術關鍵在於：
一、石墨烯11本身導電率極佳，在與純鋁12製成複合材料時，不但可完整保留電纜線本體1的導電截面積，更可在加工強化後維持、甚至提升導電率。
二、石墨烯11本身剛性極佳，在與純鋁12製成複合材料時，可大幅提升基礎強度至三倍左右，更可在加工強化後再次提升，且不因此降低導電率。
三、石墨烯11本身比重較低、顆粒較小，在與純鋁12製成複合材料時，不但不會增加電纜線本體1的重量負擔，亦可輕易平均分布在鋁12之間，而有效提升機械強度。
四、石墨烯11及鋁12皆屬於低成本之材料，在製成複合材料時，整體材料成本表現也相當優秀。
五、有效減少電纜線本體1的重力負擔、拉大高壓電塔2間的塔距、減少高壓電塔2的設置量及設置成本。
綜上所述，本發明之電纜線之石墨烯複合材料於使用時，為確實能達到其功效及目的，故本發明誠為一實用性優異之發明，為符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，盼 審委早日賜准本發明，以保障發明人之辛苦發明，倘若 鈞局審委有任何稽疑，請不吝來函指示，發明人定當竭力配合，實感德便。
Claims (9)
- 一種電纜線之石墨烯複合材料，其包括：一電纜線本體，該電纜線本體係由石墨烯及鋁所混合組成，且該石墨烯之重量百分比為0.3wt%至3.5wt%，而該鋁之重量百分比為96.5wt%至99.7wt%。
- 如申請專利範圍第1項所述之電纜線之石墨烯複合材料，其中該石墨烯之重量百分比的最佳值係為1.5wt%，而該鋁之重量百分比最佳值係為98.5wt%。
- 如申請專利範圍第1項所述之電纜線之石墨烯複合材料，其中該電纜線本體之降伏強度(Yield Strength)係為250MPa至400MPa。
- 如申請專利範圍第1項所述之電纜線之石墨烯複合材料，其中該電纜線本體之抗拉強度(Tensile Strength)係為300MPa至450MPa。
- 如申請專利範圍第1項所述之電纜線之石墨烯複合材料，其中該電纜線本體之導電率(IACS%)係為60%至65%。
- 如申請專利範圍第1項所述之電纜線之石墨烯複合材料，其中該電纜線本體之楊性系數(Young's modulus)係為1000GPa。
- 如申請專利範圍第1項所述之電纜線之石墨烯複合材料，其中該石墨烯係平均分布於該鋁之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之電纜線之石墨烯複合材料，其中該石墨烯之導電率(IACS%)為100%至170%。
- 如申請專利範圍第1項所述之電纜線之石墨烯複合材料，其中該石墨烯之導熱係數為2000W/mK至5300W/mK。
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