线缆的制造方法

专利名称：线缆的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种线缆的制造方法，尤其涉及一种基于碳纳米管的线缆的 制造方法。
背景技术：
线缆是电子产业里较为常用的信号传输线材，微米级尺寸的线缆更广泛
应用在IT产品、医学仪器、空间设备中。传统的线缆内部设置有两个导体， 内导体用以传输电信号，外导体用以屏蔽传输的电信号并且将其封闭在内 部，从而使线缆具有高频损耗低、屏蔽及抗干扰能力强、使用频带宽等特性， 请参见文献"Electromagnetic Shielding of High-voltage Cables" (M.De Wulf, P. Wouters et.al,， Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 316, e908-e901 (2007》。
一般情况下，线缆从内至外的结构依次为形成内导体的缆芯、包覆在缆 芯外表面的绝缘结构、形成外导体的屏蔽结构和保护结构。其中，缆芯用来 传输电信号，材料以铜、铝或铜锌合金为主。对于以金属材料形成的缆芯， 最大问题在于交变电流在金属导体中传输时会产生趋肤效应(Skin Effect)。趋 肤效应使金属导体中通过电流时的有效截面积减小，从而使导体的有效电阻 变大，导致信号丟失。另外，以金属材料作为缆芯及屏蔽结构的线缆，其强 度较小，质量及直径较大，无法满足某些特定条件，如航天领域、空间设备 及超细;f鼓线缆的应用。
现有技术中，线缆的制造方法一般包括以下步骤包覆聚合物于所述缆 芯的外表面形成绝缘结构；将多股金属线直接或通过编织包覆在绝缘结构外 形成屏蔽结构或用金属膜巻覆在绝缘结构外形成屏蔽结构；以及包覆一保护 材料于所述屏蔽结构的外表面。
碳纳米管是一种新型一维纳米材料，其具有优异的导电性能、高的抗张 强度和高热稳定性，在材料科学、化学、物理学等交叉学科领域已展现出广 阔的应用前景。目前，已有将碳纳米管与金属混合形成复合材料，从而用来制造线缆的缆芯。然而，碳纳米管在金属中为无序排列，且很难分散均匀， 仍无法解决上述金属导线中的趋肤效应问题。且该包含碳纳米管的缆芯的制 造方法为将微量碳纳米管与金属通过真空熔融、真空烧结或真空热压的方法 进行混合，制造方法较为复杂。

发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种线缆的制造方法，该方法简单、成本较低、 易于规模化生产，且所制造的线缆具有良好的导电性能。
一种线缆的制造方法，包括以下步骤提供一碳纳米管结构；形成导电 材料附着于所述碳纳米管结构表面；形成一具导电性的碳纳米管线状结构； 形成绝缘材料包覆所述碳纳米管线状结构；形成屏蔽材料包覆所述绝缘材 料；以及形成保护材料包覆所述屏蔽材料。
与现有技术相比较，本发明提供的碳纳米管线状结构是通过对所述碳纳 米管结构进行扭转而制造，制备方法简单、成本较低、易于规模化生产。另 外，由于所述线缆包括导电材料，故所述线缆具有较好的导电性能。


图1是本发明第一实施例线缆的截面结构示意图。
图2是本发明第一实施例线缆中单根碳纳米管的结构示意图。
图3是本发明第一实施例线缆的制造方法的流程图。
图4是本发明第一实施例线缆的制造装置的结构示意图。
图5是本发明第一实施例碳纳米管膜的扫描电镜照片。
图6是本发明第一实施例沉积导电材料后的碳纳米管膜的扫描电镜照片。
图7是本发明第一实施例沉积导电材料后的碳纳米管膜中的碳纳米管的 透射电镜照片。
图8是本发明第 一 实施例对沉积导电材料后的碳纳米管结构进行扭转后 所形成的绞线结构的扫描电镜照片。
图9是本发明第 一 实施例绞线中沉积有导电材料的碳纳米管的扫描电镜 照片。
6图IO是本发明第二实施例线缆的截面结构示意图。 图11是本发明第三实施例线缆的截面结构示意图。
具体实施例方式
以下将结合附图详细说明本发明实施例线缆的结构及其制造方法。
本发明实施例提供一种线缆，该线缆包括至少一缆芯、包覆在缆芯外的 至少一绝缘结构、至少一屏蔽结构和一保护结构。
请参阅图1，本发明第一实施例的线缆IO为同轴线缆，该同轴线缆包括 一个缆芯110、包覆在缆芯110外的绝缘结构120、包覆在绝缘结构120外 的屏蔽结构130和包覆在屏蔽结构130外的保护结构140。其中，上述缆芯 110、绝缘结构120、屏蔽结构130和保护结构140为同轴设置。
该缆芯110包括至少一碳纳米管线状结构。该碳纳米管线状结构为长径 比较大的结构。具体地，该缆芯110可由一个单独的碳纳米管线状结构构成， 也可由多个碳纳米管线状结构相互并排，相互扭转或相互缠绕形成。本实施 例中，该缆芯110为一^f友纳米管线状结构。该缆芯IIO的直径可以为4.5纳 米~1毫米，优选地，该缆芯IIO的直径为10 3(M敖米。可以理解，当将多个 碳纳米管线状结构并排设置、扭转设置或缠绕设置时，该缆芯110的直径不 限。所述缆芯110的直径可达20-30毫米。
该碳纳米管线状结构由碳纳米管和导电材料构成。具体地，该碳纳米管 线状结构包括多个碳纳米管，并且，每个碳纳米管表面均包覆至少一层导电 材料。其中，每个碳纳米管具有大致相等的长度，并且，多个碳纳米管通过 范德华力首尾相连形成一碳纳米管线状结构。在该碳纳米管线状结构中，碳 纳米管沿碳纳米管线状结构的轴向择优取向排列。进一步地，该碳纳米管线 状结构可经过一扭转过程，形成一绞线结构。在上述具有绞线结构的碳纳米 管线状结构中，碳纳米管绕碳纳米管线状结构的轴向螺旋状旋转排列。该碳 纳米管线状结构的直径可以为4.5纳米~1毫米，优选地，该碳纳米管线状结 构的直径为10-30樣t米。
请一并参阅图2，该碳纳米管线状结构中每一根碳纳米管111表面均包 覆至少一层导电材料。具体地，该至少一层导电材料可包括与碳纳米管111 表面直接结合的润湿层112、设置在润湿层外的过渡层113、设置在过渡层113外的导电层114以及设置在导电层114外的抗氧化层115。
由于碳纳米管111与大多数金属之间的润湿性不好，因此，上述润湿层 112的作用为使导电层114与碳纳米管111更好的结合。形成该润湿层112 的材料可以为铁、钴、镍、钯或钛等与碳纳米管111润湿性好的金属或它们 的合金，该润湿层112的厚度为1~10纳米。本实施例中，该润湿层112的 材料为镍，厚度约为2纳米。可以理解，该润湿层112为可选择结构。
上述过渡层113的作用为使润湿层112与导电层114更好的结合。形成 该过渡层113的材料可以为与润湿层112材料及导电层114材料均能较好结 合的材料，该过渡层113的厚度为1~10纳米。本实施例中，该过渡层113 的材料为铜，厚度为2纳米。可以理解，该过渡层113为可选择结构。
上述导电层114的作用为使碳纳米管线状结构具有较好的导电性能。形 成该导电层114的材料可以为铜、银或金等导电性好的金属或其合金，该导 电层114的厚度为1~20纳米。本实施例中，该导电层114的材料为银，厚 度约为IO纳米。
上述抗氧化层115的作用为防止在线缆10的制造过程中所述导电层114 在空气中被氧化，从而使缆芯110的导电性能下降。形成该抗氧化层115的 材料可以为金或铂等在空气中不易氧化的稳定金属或它们的合金，该抗氧化 层115的厚度为1~10纳米。本实施例中，该抗氧化层115的材料为铂，厚 度为2纳米。可以理解，该抗氧化层115为可选择结构。
进一步地，为提高线缆10的强度，可在该抗氧化层115外进一步设置 一强化层116。形成该强化层116的材料可以为聚乙烯醇(PVA)、聚苯撑苯 并二恶唑(PBO)、聚乙烯(PE)或聚氯乙烯(PVC)等强度较高的聚合物， 该强化层116的厚度为0.1 1微米。本实施例中，该强化层116的材料为聚 乙烯醇(PVA)，厚度为0.5微米。可以理解，该强化层116均为可选择结构。
所述绝缘结构120用于电气绝缘，可以选用聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙 烯、聚苯乙烯、泡沫聚乙烯组合物或纳米粘土-高分子复合材料。纳米粘土 -高分子复合材料中纳米粘土是纳米级层状结构的硅酸盐矿物，是由多种水 合硅酸盐和一定量的氧化铝、碱金属氧化物及碱土金属氧化物组成，具耐火 阻燃等优良特性，如纳米高岭土或纳米蒙脱土。高分子材料可以选用硅树脂、 聚酰胺、聚烯烃如聚乙烯或聚丙烯等，但并不以此为限。本实施例优选泡沫
8聚乙烯组合物。
所述屏蔽结构130由一导电材料形成，用以屏蔽电磁干扰或无用外部信 号干扰。具体地，所述屏蔽结构130可由多股金属线编织或用金属膜巻覆在 绝缘结构120外形成，也可由多个碳纳米管线、单层有序碳纳米管膜、多层 有序碳纳米管膜或无序碳纳米管膜缠绕或巻覆在绝缘结构120外形成，或可 由含有碳纳米管的复合材料直接包覆在绝缘结构120表面。
其中，该金属膜或金属线的材料可以选择为铜、金或银等导电性好的金 属或它们的合金。所述单层有序碳纳米管膜包括多个碳纳米管片段，每个碳 纳米管片段具有大致相等的长度且每个碳纳米管片段由多个相互平行的碳 纳米管构成，碳纳米管片段两端通过范德华力相互连接，从而形成连续的碳 纳米管膜。所述碳纳米管线可通过对碳纳米管膜进行处理获得。所述碳纳米 管线可包括多个绕碳纳米管线轴向螺旋排列的碳纳米管或包括多个沿碳纳 米管线长度方向排列并首尾相连的碳纳米管。
所述含有碳纳米管的复合材料可以为金属与碳纳米管的复合或聚合物 与碳纳米管的复合。该聚合物材料可以选择为聚对苯二曱酸乙二醇酯 (Polyethylene Terephthalate, PET )、聚碳酸酯(Polycarbonate, PC )、丙烯腈 —丁二歸丙烯一笨乙烯共聚物(Acrylonitrile-Butadiene Styrene Terpolymer， ABS )、聚碳酸酯/丙烯腈一丁二烯一苯乙烯共聚物(PC/ABS )等高分子材料。 将碳纳米管均匀分散于上述聚合物材料的溶液中，并将该混合溶液均匀涂覆 于绝缘结构120表面，待冷却后形成一含碳纳米管的聚合物层。可以理解， 该屏蔽结构130还可由碳纳米管复合膜或碳纳米管复合线状结构包裹或缠绕 在所述绝缘结构120外形成。具体地，所述碳纳米管复合膜或碳纳米管金属 复合线状结构中的碳纳米管有序排列，并且，该碳纳米管表面包覆至少一层 导电材料。进一步地，该屏蔽结构130还可由上述多种材料在绝缘结构120 夕卜叠力口构成。
所述保护结构140由绝缘材料制成，可以选用纳米粘土-高分子材料的 复合材料，其中纳米粘土可以为纳米高岭土或纳米蒙脱土，高分子材料可以 为硅树脂、聚酰胺、聚烯烃如聚乙烯或聚丙烯等，但并不以此为限。本实施 例优选纳米蒙脱土-聚乙烯复合材料，其具有良好的机械性能、耐火阻燃性 能、低烟无卣性能，不仅可以为线缆10提供保护，有效抵御机械、物理或化学等外来损伤，同时还能满足环境保护的要求。
请参阅图3及图4,本发明实施例中线缆10的制造方法主要包括以下步
骤
步骤一提供一碳纳米管结构214。
该碳纳米管结构214可以为一碳纳米管膜或多层重叠设置的碳纳米管
膜。所述碳纳米管膜包括多个碳纳米管，相邻的碳纳米管之间有间隙，且该
碳纳米管平行于所述碳纳米管膜的表面。所述相邻的碳纳米管之间的距离可
大于碳纳米管的直径。所述碳纳米管膜可具有自支撑结构。所谓"自支撑"
即该碳纳米管膜无需通过一支撑体支撑，也能保持自身特定的形状。该自支
撑的碳纳米管膜包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管通过范德华力相互吸引
并首尾相连，从而使碳纳米管膜具有特定的形状。 所述碳纳米管膜的制备方法可包括以下步骤
首先，提供一碳纳米管阵列216，优选地，该阵列为超顺排碳纳米管阵列。
本发明实施例提供的碳纳米管阵列216为单壁碳纳米管阵列，双壁碳纳 米管阵列，及多壁碳纳米管阵列中的一种或多种。本实施例中，该超顺排碳 纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括(a)提供一 平整基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底， 本实施例优选为采用4英寸的硅基底；(b)在基底表面均勻形成一催化剂层， 该催化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之 一；(c)将上述形成有催化剂层的基底在700 900。C的空气中退火约30分 钟 90分钟；(d)将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到 500~740。C，然后通入碳源气体反应约5~30分钟，生长得到超顺排碳纳米管 阵列，其高度为200-400微米。该超顺排碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂 直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件， 该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属 颗粒等。该超顺排碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形 成阵列。该超顺排碳纳米管阵列与上述基底面积基本相同。
本实施例中碳源气可选用乙炔、乙烯、曱烷等化学性质较活泼的碳氢化 合物，本实施例优选的碳源气为乙炔；保护气体为氮气或惰性气体，本实施
10例优选的保护气体为氩气。
其次，采用一拉伸工具从所述碳纳米管阵列216中拉取获得一碳纳米管膜。
所述碳纳米管膜的制备方法包括以下步骤采用一拉伸工具从碳纳米管 阵列216中拉取获得一碳纳米管膜。其具体包括以下步骤(a)从一碳纳米 管阵列中选定一个或具有一定宽度的多个碳纳米管，本实施例优选为采用具 有一定宽度的胶带、镊子或夹子接触碳纳米管阵列216以选定一个或具有一 定宽度的多个碳纳米管；(b)以一定速度拉伸该选定的碳纳米管，从而形成 首尾相连的多个碳纳米管片段，进而形成一连续的碳纳米管膜214。该拉取 方向沿基本垂直于碳纳米管阵列216的生长方向。
在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐渐 脱离基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管片段分别与其 它碳纳米管片段首尾相连地连续地被拉出，从而形成一连续、均勻且具有一 定宽度的碳纳米管膜。该碳纳米管膜包括多个首尾相连的碳纳米管，该碳纳 米管基本沿拉伸方向排列。请参阅图5，该碳纳米管膜包括多个择优取向排 列的碳纳米管。进一步地，所述碳纳米管膜包括多个首尾相连且定向排列的 碳纳米管片段，碳纳米管片段两端通过范德华力相互连接。该碳纳米管片段 包括多个相互平行排列的碳纳米管。所述碳纳米管膜的长度及宽度与该碳纳 米管阵列216的尺寸及步骤(a)中选定的多个碳纳米管的宽度有关，所述 碳纳米管膜的宽度最大不超过该碳纳米管阵列216的直径，所述碳纳米管膜 的长度可达100米以上。
该直接拉伸获得的择优取向排列的碳纳米管结构214比无序的碳纳米 管结构具有更好的均匀性。同时该直接拉伸获得碳纳米管结构214的方法筒 单快速，适宜进行工业化应用。
步骤二形成导电材料附着于所述碳纳米管结构214表面。 所述形成导电材料附着于所述碳纳米管结构214表面的方法可采用物 理方法，如物理气相沉积法(PVD)包括真空蒸镀或离子溅射等，也可釆用 其他成膜方法，如化学方法，包括电镀或化学镀等。优选地，本实施例采用 物理方法中的真空蒸镀法形成所述导电材料附着于所述碳纳米管结构214表 面。所述采用真空蒸镀法形成导电材料的方法包括以下步骤首先，提供一 真空容器210,该真空容器210具有一沉积区间，该沉积区间的底部和顶部 分别放置至少一个蒸发源212，该至少一个蒸发源212按形成导电材料的先 后顺序依次沿碳纳米管结构的拉伸方向设置，且每个蒸发源212均可通过一 个加热装置(图未示)加热。上述碳纳米管结构214设置于上下蒸发源212 中间并间隔一定距离，其中碳纳米管结构214正对上下蒸发源212设置。该 真空容器210可通过外接一真空泵(图未示)抽气达到预定的真空度。所述 蒸发源212材料为待沉积的导电材料。其次，通过加热所述蒸发源212,使 其熔融后蒸发或升华形成导电材料蒸汽，该导电材料蒸汽遇到冷的碳纳米管 结构214后，在碳纳米管结构214上下表面凝聚，形成导电材料附着于所述 碳纳米管结构214表面。由于碳纳米管结构214中的碳纳米管之间存在间隙， 并且碳纳米管结构214厚度较薄，导电材料可以渗透进入碳纳米管结构214 之中，从而沉积在每根碳纳米管表面。沉积导电材料后的碳纳米管结构214 的微观结构照片请参阅图6和图7。
可以理解，通过调节碳纳米管结构214和每个蒸发源212的距离以及蒸 发源212之间的距离，可使每个蒸发源212具有一个沉积区。当需要沉积多 层导电材料时，可将多个蒸发源212同时加热，使碳纳米管结构214连续通 过多个蒸发源的沉积区，从而实现沉积多层导电材料。
为提高导电材料蒸汽密度并且防止导电材料被氧化，真空容器210内真 空度应达到1帕(Pa)以上。本发明实施例中，所述真空容器210中的真空 度为4 x l(T4Pa。
可以理解，也可将步骤一中的碳纳米管阵列216直接放入上述真空容器 210中。首先，在真空容器210中采用一拉伸工具从所述碳纳米管阵列中拉 取获得一碳纳米管结构214。然后，加热上述至少一个蒸发源212，沉积至 少一层导电材料于所述碳纳米管结构214表面。以一定速度不断地从所述碳 纳米管阵列216中拉取碳纳米管结构214,且使所述碳纳米管结构214连续 地通过上述蒸发源212的沉积区，进而形成所述导电材料附着于所述碳纳米 管结构214表面。故该真空容器210可实现具有导电材料的碳纳米管结构214 的连续生产。
本发明实施例中，所述采用真空蒸镀法形成导电材料的方法具体包括以下步骤形成一层润湿层于所述碳纳米管结构214表面；形成一层过渡层于 所述润湿层的外表面；形成一层导电层于所述过渡层的外表面；形成一层抗 氧化层于所述导电层的外表面。其中，上述形成润湿层、过渡层及抗氧化层 的步骤均为可选择的步骤。具体地，可将上述碳纳米管结构214连续地通过 上述各层材料所形成的蒸发源212的沉积区。
另外，在所述形成导电材料于所述碳纳米管结构214表面之后，可进一 步包括在所述碳纳米管结构214表面形成强化层的步骤。所述形成强化层的 步骤具体包括以下步骤将形成有导电材料的碳纳米管结构214通过一装有 聚合物溶液的装置220，使聚合物溶液浸润整个碳纳米管结构214,该聚合 物溶液通过分子间作用力粘附于所述导电材料的外表面；以及固化聚合物溶 液，形成一强化层。
步骤三、形成一具导电性的碳纳米管绵状结构222。
当所述碳纳米管结构214的宽度较小时，如为0.5纳米 100微米，所述 形成有至少一层导电材料的碳纳米管结构214即可为一碳纳米管线状结构 222，可不需要做后续处理。
当所述碳纳米管结构214的宽度较大时，所述形成碳纳米管线状结构222 的步骤可进一步包括对所述碳纳米管结构214进行机械处理的步骤。该对所 述碳纳米管结构214进行机械处理的步骤可通过以下两种方式实现对所述 形成有至少一层导电材料的碳纳米管结构214进行扭转，形成碳纳米管线状 结构222或切割所述形成有至少一层导电材料的碳纳米管结构214，形成碳 纳米管线状结构222。
对所述碳纳米管结构214进行扭转，形成碳纳米管线状结构222的步骤 可通过多种方式实现。本实施例可采用下述两种方式形成所述^i内米管线状 结构222:其一，通过将粘附于上述碳纳米管结构214—端的拉伸工具固定 于一旋转电机上，扭转该碳纳米管结构214,从而形成一碳纳米管线状结构 222。其二，提供一个尾部可以粘住碳纳米管结构214的纺纱轴,将该纺纱 轴的尾部与碳纳米管结构214结合后，将该纺纱轴以旋转的方式扭转该碳纳 米管结构214,形成一碳纳米管线状结构222。可以理解，上述纺纱轴的旋 转方式不限，可以正转，可以反转，或者正转和反转相结合。优选地，所述 扭转该碳纳米管结构的步骤为将所述碳纳米管结构214沿碳纳米管结构214的拉伸方向以螺旋方式扭转。扭转后所形成的碳纳米管线状结构222为一绞 线结构，其扫描电镜照片请参见图8及图9。
所述切割碳纳米管结构214,形成碳纳米管线状结构222的步骤为沿 碳纳米管结构214的拉伸方向切割所述形成有至少一层导电材料的碳纳米管 结构214，形成多个碳纳米管线状结构。上述多个碳纳米管线状结构222可 进一步进行重叠、扭转，以形成一较大直径的碳纳米管线状结构222。
可以理解，当所述碳纳米管结构214的宽度较小时，所述碳纳米管结构 214也可进一步进行扭转，形成所述碳纳米管线状结构22。
进一步地，多个碳纳米管线状结构222可平行设置组成一束状结构的碳 纳米管线状结构222或相互扭转形成一绞线结构的碳纳米管线状结构222。 该束状结构或绞线结构的碳纳米管线状结构222相比单个碳纳米管线状结构 222具有较大的直径。另外，也可将沉积有导电材料的碳纳米管结构214重 叠设置并扭转形成一碳纳米管线状结构222。所制备的碳纳米管线状结构222 的直径不受拉取获得的碳纳米管膜的尺寸的限制，并可根据需要制备具有任 意大小的直径的碳纳米管线状结构222。本实施例中，大约500层沉积有导 电材料的碳纳米管结构214重叠设置并扭转形成一碳纳米管线状结构222， 该碳纳米管线状结构222的直径可达到3-5毫米。
可以理解，本发明并不限于上述方法获得碳纳米管线状结构222,只要 能使所述碳纳米管膜214形成碳纳米管线状结构222的方法都在本发明的保 护范围之内。
经实验测试可知，采用上述方法得到的碳纳米管线状结构222的电阻率 比直接将未包覆导电材料的碳纳米管结构214扭转获得的纯碳纳米管线的电 阻率有所降j氐。该^暖纳米管线状结构222的电阻率可为10xl(T8Q-m 500xl(T8Q.m,而纯碳纳米管线的电阻率则为lxl(r5Q.m~2xl(r5Q.m。本实 施例中，纯碳纳米管线电阻率为1.91xlO-5Q.m,碳纳米管线状结构222的电
阻率为360xl(y8Q.m。
所制得的碳纳米管线状结构222可进一步收集在一第一巻筒224上。收 集方式可为将碳纳米管线状结构222缠绕在所述第一巻筒224上。所述碳纳 米管线状结构222用作线缆的缆芯110。
可选择地，上述碳纳米管结构214的形成步骤、形成至少一层导电材料的步骤、强化层的形成步骤、碳纳米管结构214的扭转步骤及碳纳米管线状 结构222的收集步骤均可在上述真空容器中进行，进而实现碳纳米管线状结 构222的连续生产。
步骤四形成绝缘材料包覆所述碳纳米管线状结构222。
所述绝缘材料可通过一第一挤压装置230包覆在所述碳纳米管线状结 构222的外表面，该挤压装置将熔融态的绝缘材料涂覆在所述碳纳米管线状 结构222的表面。本发明实施例中，所述绝缘材料优选为泡沫聚乙烯组合物。 一旦碳纳米管线状结构222离开所述第一挤压装置230，泡沫聚乙烯组合物 就会发生膨胀，以形成所述绝缘材料，进而形成所述绝缘结构120。
当所述绝缘材料为两层或两层以上时，可重复上述步骤。
步骤五形成屏蔽材料包覆所述绝缘材料。
所述屏蔽材料232包括金属、碳纳米管或其结合。具体地，可将由所述 屏蔽材料232组成的膜或线通过粘结剂粘结或直接缠绕在所述绝缘材料的外 表面。该由所述屏蔽材料232组成的膜可为金属膜、碳纳米管膜或碳纳米管 与金属的复合膜等膜状结构，其可由一第二巻筒234提供，并围绕所述绝缘 材料巻覆，以便形成所述屏蔽结构130。优选地，所述膜状结构可沿纵向边 缘进行重叠，以便完全屏蔽所述碳纳米管线状结构222。所述由所述屏蔽材 料232组成的线可为碳纳米管线、金属线或碳纳米管与金属的复合线等线状 结构，该线状结构可直接或编织成网状缠绕在所述绝缘材料的外表面。具体 地，所述多根碳纳米管线、金属线或碳纳米管与金属的复合线可通过多个绕 线架236沿不同的螺旋方向巻绕在所述绝缘材料的外表面。另外，所述屏蔽 结构130也可由上述多种材料形成的编织层共同组成，并通过粘结剂粘结或 直接缠绕在所述绝缘材料外表面。
本发明实施例中，可将多个碳纳米管线直接或编织成网状缠绕在所述绝 缘材料外表面，以形成所述屏蔽结构130。每个碳纳米管线包括一扭转的碳 纳米管线或非扭转的碳纳米管线。所述非扭转的碳纳米管线可为将从碳纳米 管阵列中直接拉取获得的碳纳米管膜通过有机溶剂处理得到，该非扭转的碳 纳米管线包括多个沿碳纳米管线长度方向排列并首尾相连的碳纳米管。所述 扭转的碳纳米管线可为采用一机械力将所述碳纳米管膜两端沿相反方向扭 转获得。该扭转的碳纳米管线包括多个绕碳纳米管线轴向螺旋排列的碳纳米
15管。
可以理解，当所述屏蔽结构130为两层或两层以上结构时，可重复上述 步骤。
步骤六形成保护材料包覆所述屏蔽材料。
所述保护材料可通过一第二挤压装置240施用到所述屏蔽材料外表面。 所述聚合物熔体围绕在所述屏蔽材料的外表面被挤压，冷却后形成所述保护 材料，进而形成所述保护结构140。
进一步地，可将所制造的的线缆收集在一第三巻筒260上，以便于储存 和装运。
请参阅图10,本发明第二实施例提供一种线缆30，其包括多个缆芯310 (图9中共显示七个缆芯)、每一缆芯310外覆盖一个绝缘介质层320、包覆 在多个缆芯310外的一个屏蔽层330和一个包覆在屏蔽层330外表面的外护 套340。屏蔽层330和绝缘介质层320的间隙内可填充绝缘材料。其中，每 个缆芯310及绝缘介质层320、屏蔽层330和外护套340的结构、材料及制 备方法与第一实施例中的缆芯110、绝缘介质层120、屏蔽层130和外护套 140的结构、材料及制备方法基本相同。
请参阅图11，本发明第三实施例提供一种线缆40，其包括多个缆芯410 (图10中共显示五个缆芯)、每一缆芯410外覆盖一个绝缘介质层420和一 个屏蔽层430、以及包覆在多个缆芯410外表面的外护套440。屏蔽层430 的作用在于对各个缆芯410进行单独的屏蔽，这样不仅可以防止外来因素对 缆芯410内部传输的电信号造成干扰而且可以防止各缆芯410内传输的不同 电信号间相互发生干扰。其中，每个缆芯410、绝缘介质层420、屏蔽层430 和外护套440的结构、材料及制备方法与第一实施例中的缆芯110、绝缘介 质层120、屏蔽层130和外护套140的结构、材料及制备方法基本相同。
本发明实施例提供的采用碳纳米管线状结构作为缆芯的线缆及其制备 方法具有以下优点其一，碳纳米管线状结构中包含多个通过范德华力首尾 相连的碳纳米管，且每根碳纳米管表面均形成有导电材料，其中，碳纳米管 起导电及支撑作用，在碳纳米管上沉积导电材料后，形成的碳纳米管线状结 构比采用现有技术中的金属拉丝方法得到的金属导电丝更细，适合制作超细 微线缆。其二，由于碳纳米管为中空的管状结构，且形成于碳纳米管外表面的导电材料厚度只有几个纳米，因此，电流在通过金属导电层时基本不会产 生趋肤效应，从而避免了信号在线缆中传输过程中的衰减。其三，由于碳纳 米管具有优异的力学性能，且具有中空的管状结构，因此，该含有碳纳米管 的线缆具有比采用纯金属缆芯的线缆更高的机械强度及更轻的质量，适合特 殊领域，如航天领域及空间设备的应用。其四，采用金属包覆的碳纳米管形 成的碳纳米管线状结构作为缆芯比釆用纯碳纳米管线作为缆芯具有更好的 导电性。其五，由于碳纳米管线是通过对碳纳米管膜进行旋转或直接从碳纳 米管阵列中拉取而制造，该方法简单、成本较低。其六，所述从碳纳米管阵 列中拉取获得碳纳米管结构的步骤及形成导电材料的步骤均可在一真空容 器中进行，有利于缆芯的规模化生产，从而有利于线缆的规模化生产。其七， 由于该缆芯可由多个碳纳米管结构共同构成，该缆芯的直径不限，故该线缆 可用于电力传输领域，且由于碳纳米管质量较轻，则该电力线缆质量较轻。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据 本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
1权利要求
1. 一种线缆的制造方法，包括以下步骤提供一碳纳米管结构；形成导电材料附着于所述碳纳米管结构表面；形成一具导电性的碳纳米管线状结构；形成绝缘材料包覆所述碳纳米管线状结构；形成屏蔽材料包覆所述绝缘材料；以及形成保护材料包覆所述屏蔽材料。
2. 如权利要求1所述的线缆的制造方法，其特征在于，所述碳纳米管结构包括 一碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个碳纳米管，相邻的碳纳米管之间有间隙， 且该碳纳米管具有自支撑结构。
3. 如权利要求1所述的线缆的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管结构包括 一碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个碳纳米管，相邻的碳纳米管之间有间隙， 且该碳纳米管平行于所述碳纳米管膜的表面。
4. 如权利要求2或3所述的线缆的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管膜通 过直接拉取一碳纳米管阵列获得，该碳纳米管膜包括多个首尾相连的碳纳米 管。
5. 如权利要求4所述的线缆的制造方法，其特征在于，所述形成一具导电性的 碳纳米管线状结构的步骤包括对附着有导电材料的碳纳米管结构进行机械处 理的步骤。
6. 如权利要求5所述的线缆的制造方法，其特征在于，所述机械处理的步骤包 括对所述碳纳米管结构进行扭转，形成碳纳米管线状结构或切割所述碳纳米 管结构，形成碳纳米管线状结构。
7. 如权利要求6所述的线缆的制造方法，其特征在于，所述对碳纳米管结构进 行扭转，形成碳纳米管线状结构的步骤具体包括以下步骤将上述碳纳米管结 构一端固定于一旋转电机上；以及扭转该碳纳米管结构，从而形成一碳纳米管 线状结构。
8. 如权利要求6所述的线缆的制造方法，其特征在于，所述对碳纳米管结构进 行扭转，形成碳纳米管线状结构的步骤具体包括以下步骤提供一个尾部可以粘住碳纳米管结构的纺纱轴，将该纺纱轴的尾部与碳纳米管结构的一端结合； 以及将该纺纱轴以旋转的方式扭转该碳纳米管结构，形成一碳纳米管线状结 构。
9. 如权利要求7或8所述的线缆的制造方法，其特征在于，所述扭转碳纳米管 结构的过程包括沿碳纳米管结构的拉伸方向扭转该碳纳米管结构的步骤。
10. 如权利要求6所述的线缆的制造方法，其特征在于，所述切割碳纳米管结构， 形成碳纳米管线状结构的步骤包括以下步骤沿碳纳米管结构的拉伸方向切割 所述碳纳米管结构，形成碳纳米管线状结构。
11. 如权利要求1所述的线缆的制造方法，其特征在于，所述形成导电材料的方 法包括物理气相沉积法、化学镀及电镀中的一种。
12. 如权利要求11所述的线缆的制造方法，其特征在于，所述形成导电材料的 方法包括真空蒸镀法或溅射法。
13. 如权利要求12所述的线缆的制造方法，其特征在于，所述形成导电材料的 方法为真空蒸镀法，其包括以下步骤提供一真空容器，该真空容器具有一沉积区间，该沉积区间底部和顶部分别 放置至少一个蒸发源，所述蒸发源的材料为待沉积的导电材料； 设置上述碳纳米管结构于上下蒸发源中间并间隔一定距离，碳纳米管结构正 对上下蒸发源设置；以及加热所述蒸发源，使其熔融后蒸发或升华形成导电材料蒸汽，该导电材料蒸 汽遇到冷的碳纳米管结构后，在碳纳米管结构上下表面凝聚，形成导电材料 附着于所述碳纳米管结构表面。
14. 如权利要求13所述的线缆的制造方法，其特征在于，所述形成导电材料的 过程包括形成一导电层于所述碳纳米管结构的外表面的步骤。
15. 如权利要求14所述的线缆的制造方法，其特征在于，所述导电层的材料为金、 银、铜或上述材料的合金，该导电层的厚度为1~20纳米。
16. 如权利要求14所述的线缆的制造方法，其特征在于，在所述形成导电层的步 骤之前进一步包括形成一层润湿层于所述碳纳米管结构表面的步骤，上述导电 层形成在所述润湿层的外表面。
17. 如权利要求16所述的线缆的制造方法，其特征在于，在所述形成导电层的步骤之前，形成润湿层的步骤之后进一步包括形成一层过渡层于所述润湿层的外 表面，上述导电层形成在所述过渡层的外表面。
18. 如权利要求14所述的线缆的制造方法，其特征在于，在所述形成导电层的 步骤之后进一步包括形成一层抗氧化层于所述导电层的外表面。
19. 如权利要求14所述的线缆的制造方法，其特征在于，在所述形成导电材料于 所述碳纳米管结构表面之后，进一步包括在所述碳纳米管结构外表面形成强化 层的步骤。
20. 如权利要求19所述的线缆的制造方法，其特征在于，所述形成强化层的步骤 具体包括以下步骤将形成有导电材料的碳纳米管结构通过一装有聚合物溶 液的装置，使聚合物溶液浸润整个碳纳米管结构，该聚合物溶液通过分子间作 用力粘附于所述导电材料的外表面；以及固化聚合物溶液，形成一强化层。
21. 如权利要求1所述的线缆的制造方法，其特征在于，所述绝缘材料为聚对苯 二曱酸乙二醇酯、聚^f友酸酯、丙烯腈一丁二烯丙烯一苯乙烯共聚物或聚^f友酸酯 /丙烯腈一丁二烯一 苯乙烯共聚物。
22. 如权利要求1所述的线缆的制造方法，其特征在于，所述屏蔽材料为金属、 碳纳米管或其结合。
23. 如权利要求22所述的线缆的制造方法，其特征在于，所述形成屏蔽材料的步 骤包括将由金属、碳纳米管或其结合组成的膜或线通过粘结剂粘结或直接缠绕 在所述绝缘材料的外表面的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种线缆的制造方法，包括以下步骤提供一碳纳米管结构；形成导电材料附着于所述碳纳米管结构表面；形成一具导电性的碳纳米管线状结构；形成绝缘材料包覆所述碳纳米管线状结构；形成屏蔽材料包覆所述绝缘材料；以及形成保护材料包覆所述屏蔽材料。
文档编号H01B7/17GK101499337SQ20091000245
公开日2009年8月5日 申请日期2009年1月16日 优先权日2008年2月1日
发明者亮 刘, 锴 刘, 姜开利, 翟永超, 范守善, 赵清宇 申请人:清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司