一種銅基石墨烯光纖電纜的制作方法
【專利摘要】一種銅基石墨烯光纖電纜，包括：石英光纖纖芯，石英光纖包層，銅鍍層，石墨烯層，保護(hù)絕緣層，單根銅基石墨烯光纖。其特征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層，構(gòu)成單根銅基石墨烯光纖，石墨烯導(dǎo)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)，光信息信號從石英光纖傳輸，在同一根銅基石墨烯光纖電纜里實現(xiàn)電力和光信號的同步傳輸。
【專利說明】一種銅基石墨烯光纖電纜

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明電力輸電領(lǐng)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 一種銅基石墨烯光纖電纜。

【背景技術(shù)】
[0002] 電光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(gòu)成輸 電線路上的光纖通信網(wǎng)，這種結(jié)構(gòu)形式兼具地線與通信雙重功能，一般稱作0PGW光纜，還 有一種是在傳統(tǒng)的相線結(jié)構(gòu)中將光纖單元復(fù)合在導(dǎo)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(fù)合在一起，這樣制 作工藝復(fù)雜，成本高，且由于光纖和電纜簡單的復(fù)合，由于兩種材質(zhì)屬性不一樣，導(dǎo)致產(chǎn)品 一致性差，且安裝使用復(fù)雜，難以推廣應(yīng)用。
[0004] 石墨烯結(jié)構(gòu)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(dāng)施加外部機(jī)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(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子 具有優(yōu)秀的導(dǎo)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(qiáng)，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(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W/ (Π 1·Κ)，高于碳納米管和金剛石，常溫下 其電子遷移率超過15 000 cm2 / (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(dǎo)電性最好的材料，電子在其中的運(yùn)動速度達(dá)到了光速的1/300,遠(yuǎn)遠(yuǎn) 超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動速度。
[0005] 石墨烯與石英具有很好的親和力，把石墨烯和光纖結(jié)合在一起，形成一種新的石 墨烯電光纜，但是石墨烯很難直接附著在石英光纖表層，就目前技術(shù)而言，石墨烯層生成也 只能在銅、金、鉬等幾種有限金屬基底上生長，而當(dāng)前在石英光纖上鍍層金屬工藝，鍍銅覆 膜是較成熟工藝，把石英光纖先進(jìn)行金屬銅鍍膜，在鍍膜金屬銅上生長石墨烯是石墨烯光 纖電纜的一種很好的解決方案。


【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(hù)困難 控制系統(tǒng)復(fù)雜，安全可靠性低問題。本發(fā)明提供一種銅基石墨烯光纖電纜。本發(fā)明為實現(xiàn)其 目的所采取的技術(shù)方案：一種銅基石墨烯光纖電纜，包括：石英光纖纖芯，石英光纖包層， 銅鍍層，石墨烯層，保護(hù)絕緣層，單根銅基石墨烯光纖。其特征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 墨烯層，構(gòu)成單根銅基石墨烯光纖，由于石墨烯具有高導(dǎo)電性，其電子遷移率是銅的100倍 以上，石墨烯導(dǎo)電層是電力傳輸介質(zhì)，由于銅的電導(dǎo)率比石墨烯低很多，經(jīng)過銅鍍層的電子 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(dǎo)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，在同一根銅基石墨烯光纖電纜里實現(xiàn)電力和光信號的同步傳輸。
[0007] 優(yōu)選的銅基石墨烯光纖，其特征在于單根銅基石墨烯光纖的石英纖芯直徑在 120-125Mm，銅基石墨烯光纖的直徑在121-137Mm，其中，銅鍍層的厚度為0. l-6Mm，石墨烯 層的厚度為0.01-0. 〇5Mm。
[0008] 優(yōu)選的銅基石墨烯光纖，其特征在于由1-1000根銅基石墨烯光纖，構(gòu)成一束銅基 石墨烯光纜，外面包裹絕緣層，絕緣層為聚乙烯或聚氯乙烯，構(gòu)成銅基石墨烯光纖電纜，石 墨烯導(dǎo)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)，在同一根銅基石墨烯光 纖電纜里實現(xiàn)電力和光信號的同步傳輸。
[0009] 優(yōu)選的石英光纖鍍銅方法是濕法化學(xué)鍍銅方法，主要由可溶性銅鹽、還原劑、絡(luò)合 齊U、穩(wěn)定劑，pH調(diào)整劑和去離子水溶液組成的混合液體，單質(zhì)銅以化學(xué)鍵的固化方式固定 在石英光纖的表層。
[0010] 優(yōu)選的石墨烯層，其特征在于石墨烯層為二維六角型呈蜂巢晶格的平面單原子層 薄膜，附著在銅鍍層上的石墨烯層數(shù)為1-10層。
[0011] 石墨烯層在石英光纖銅鍍層上直接生長，在一定的石墨烯懸濁液中加入銅鍍層石 英光纖，經(jīng)超聲振蕩，使石墨烯結(jié)晶生長在石英光纖的銅鍍層上。
[0012] 優(yōu)選的石墨烯層在石英光纖銅鍍層的生長方式，可以是無氧環(huán)境熱化學(xué)氣象沉降 法和等離子無氧環(huán)境化學(xué)氣象沉降法在石英光纖銅鍍層上生長石墨烯層。
[0013] 優(yōu)選的石墨烯層在石英光纖銅鍍層的生長方式，可以是含碳的單質(zhì)或化合物可以 粘附在石英光纖銅鍍層上或在石英光纖銅鍍層旁邊，通過氣化結(jié)晶的方式，生長在石英光 纖的銅鍍層上。
[0014] 本發(fā)明的有益效果 1、由于采用了石墨烯作為導(dǎo)電體，大大降低了導(dǎo)體的電阻率，提高了輸電效率，石墨烯 強(qiáng)度大，質(zhì)量輕便于安裝維護(hù)，同時，石墨烯耐氧化不腐蝕，使電纜壽命大大加強(qiáng)。
[0015] 2、在石英光纖的包膜層上首先化學(xué)法鍍上一層金屬銅，使石墨烯層沉積生長在銅 鍍層上，生產(chǎn)工藝簡單，石墨烯附著力強(qiáng)，石墨烯電光纜性能穩(wěn)定可靠。
[0016] 3、米用輸電和傳輸信息一體化設(shè)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。
[0017] 由于采用了上述技術(shù)方案，從而使本發(fā)明實解決傳統(tǒng)電力電纜應(yīng)用的制約條件， 石墨烯與光纖的有機(jī)結(jié)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。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0019] 圖1、為本發(fā)明一種銅基石墨烯光纖電纜的截面結(jié)構(gòu)示意圖： 1、石英光纖纖芯，2、石英光纖包層，3、銅鍍層，4、石墨烯層，5、保護(hù)絕緣層，6、單根銅基 石墨烯光纖。

【具體實施方式】
[0020] 結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步介紹，一種銅基石墨烯光纖電纜，包括： 石英光纖纖芯1，石英光纖包層2,銅鍍層3,石墨烯層4,保護(hù)絕緣層5。其特征在于石英光 纖纖芯1外層包裹一層石英光纖包層2,在石英光纖包層2上鍍上一層銅鍍層3,在銅鍍層 3的外層沉積生長一層石墨烯層4,構(gòu)成單根銅基石墨烯光纖6,由于石墨烯具有高導(dǎo)電性， 其電子遷移率是銅的100倍以上，石墨烯導(dǎo)電層是電力傳輸介質(zhì)，由于銅的電導(dǎo)率比石墨 烯低很多，經(jīng)過銅鍍層3的電子較少，對光纖纖芯1起到信號屏蔽，使光纖纖芯1的光信號 不受外層導(dǎo)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)，在同一根銅基石墨烯光纖電纜里實現(xiàn)電力和光信號的同步傳輸。
[0021] 優(yōu)選的銅基石墨烯光纖，其特征在于單根銅基石墨烯光纖的石英纖芯1直徑在 120-125Mm，銅基石墨烯光纖的直徑在121-137Mm，其中，銅鍍層3的厚度為0. l-6Mm，石墨烯 層4的厚度為0· 01-0. 05Mm。
[0022] 優(yōu)選的銅基石墨烯光纖，其特征在于由1-1000根銅基石墨烯光纖6,構(gòu)成一束銅 基石墨烯光纜，外面包裹絕緣層5,絕緣層5為聚乙烯或聚氯乙烯，構(gòu)成銅基石墨烯光纖電 纜，石墨烯導(dǎo)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)，在同一根銅基石墨 烯光纖電纜里實現(xiàn)電力和光信號的同步傳輸。
[0023] 優(yōu)選的石英光纖銅鍍層3,其特征在于石英光纖鍍銅方法是濕法化學(xué)鍍銅方法，主 要由可溶性銅鹽、還原劑、絡(luò)合劑、穩(wěn)定劑，pH調(diào)整劑和去離子水溶液組成的混合液體，使 單質(zhì)銅以化學(xué)鍵的固化方式固定在石英光纖的表層。
[0024] 優(yōu)選的石墨烯層4,其特征在于石墨烯層為二維六角型呈蜂巢晶格的平面單原子 層薄膜，附著在銅鍍層上的石墨烯層數(shù)為1-10層。
[0025] 石墨烯層在石英光纖銅鍍層上直接生長，在一定的石墨烯懸濁液中加入銅鍍層石 英光纖，經(jīng)超聲振蕩，使石墨烯結(jié)晶生長在石英光纖的銅鍍層上。
[0026] 優(yōu)選的石墨烯層在石英光纖銅鍍層的生長方式，可以是無氧環(huán)境熱化學(xué)氣象沉降 法和等離子無氧環(huán)境化學(xué)氣象沉降法在石英光纖銅鍍層上生長石墨烯層。
[0027] 優(yōu)選的石墨烯層在石英光纖銅鍍層的生長方式，可以是含碳的單質(zhì)或化合物可以 粘附在石英光纖銅鍍層上或在石英光纖銅鍍層旁邊，通過氣化結(jié)晶的方式，生長在石英光 纖的銅鍍層上。
[0028] 實施例：選用一根石英光纖，先在石英光纖上鍍銅，其步驟：一、去除石英光纖的 保護(hù)層，由于石英光纖的主要成分是Si02,直徑在120 μ m左右，易于受損或折斷，因 此在光纖外面包裹一層硅氧烷樹脂等類的有機(jī)保護(hù)層以增其柔韌性并起保護(hù)作用，除去 這層保護(hù)層的方法可以采用機(jī)械的方法，用手工刀具剝離，然后用95%的硫酸溶液在 150°C ~190°C的溫度下反應(yīng)10-15分鐘，徹底的去除保護(hù)層的硅氧烷樹脂等有機(jī)保護(hù)層，然 后用去離子水清洗干凈并干燥。二、除去保護(hù)層的光纖進(jìn)入粗化階段，用含有HF或F-的 強(qiáng)酸溶液對其進(jìn)行弱腐蝕，選用HF:H 2SiF6:H20=l :1 :2(體積比）的溶液，在60-120°C的溫 度下，粗化8-10分鐘。三、敏化處理就是使具有一定吸附能力的制件表面吸附一些易氧化 的物質(zhì)（還原劑），而后在活化處理時，吸附的敏化劑被氧化，活化劑被還原成催化晶核， 吸附在制件表面，為下一步的化學(xué)沉積提供必要的條件，敏化液用含氯化亞錫l〇g/L，鹽酸 40mL/L的溶液，敏化時間為5min。四、活化是借助于有催化活性的金屬化合物的溶液，對 經(jīng)過敏化的表面進(jìn)行活化處理?？蛇x用含〇.25g/L氯化鈀，2.5mL/L鹽酸的活化液，在常 溫下活化6-8分鐘。五、把與處理好的表面活化的光纖進(jìn)行鍍銅，鍍銅鍍液為含10g/L硫酸 銅（CuS04 · 5H20)，40g/L 酒石酸鉀鈉（NaKC4H406 · 4H20)，8g/L 氫氧化鈉（NaOH)，2g/L 碳 酸鈉（Na2C03)，lg/L 氯化鎳（NiC12 · 6H20)，20mL/L 甲醛（HCH0(37%))的鍍液，按重量百 分比組成一定量的鍍液，在溫度20°C?25°C，pH為12.(Γ12.5范圍內(nèi)鍍銅30-50分鐘，把鍍 好銅的石英光纖經(jīng)去離子水漂洗干凈，干燥后待用。
[0029] 在附著有金屬銅鍍層的石英光纖進(jìn)行石墨烯生長，取一根干凈的已經(jīng)鍍銅的石英 光纖，在一定空間內(nèi)通過化學(xué)氣象沉降方式，使用甲烷等含碳?xì)怏w作為碳源，在900-1250°C 進(jìn)行石墨烯的生長，具體步驟如下，步驟一：銅鍍石英光纖表面預(yù)處理，在500-KKKTC和通 入高純氮氣情況下使銅鍍石英光纖的表面產(chǎn)生合適的著碳位點，時間為10-30分鐘；步驟 二：將產(chǎn)生著碳位點的銅鍍石英光纖冷卻至100-200°C，停掉氮氣源；步驟三：把產(chǎn)生著碳 位點的銅鍍石英光纖再次升溫至900-1200°C，并通入甲烷等含碳?xì)怏w，使甲烷等含碳?xì)怏w 在高溫下分解，釋放碳原子，時間為30-120分鐘，慢慢地在銅鍍石英光纖的銅表面上生長 石墨烯層；步驟四：緩慢降溫至室溫，取出表面生長有石墨烯層的石英光纖，制作完成石墨 烯-石英光纖電光導(dǎo)體，把多根石墨烯-石英光纖束結(jié)在一起，外面包裹絕緣聚乙烯或聚氯 乙烯，構(gòu)成一根石墨烯電光纜。
[0030] 上述實施例只是說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的是讓本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員能夠了解本發(fā)明的特點并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡是根據(jù)本發(fā) 明內(nèi)容的實質(zhì)所進(jìn)行的等效變化或修飾，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種銅基石墨烯光纖電纜，包括：石英光纖纖芯，石英光纖包層，銅鍍層，石墨烯層， 保護(hù)絕緣層，單根銅基石墨烯光纖；其特征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層，構(gòu)成單根銅 基石墨烯光纖。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銅基石墨烯光纖電纜，其特征在于石墨烯導(dǎo)電層是電力 傳輸介質(zhì)，由于銅的電導(dǎo)率比石墨烯低很多，經(jīng)過銅鍍層的電子較少，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(dǎo)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，在同一根銅基石墨 烯光纖電纜里實現(xiàn)電力和光信號的同步傳輸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銅基石墨烯光纖電纜，其特征在于單根銅基石墨烯光纖 的石英纖芯直徑在120_125Mm，銅基石墨烯光纖的直徑在121-137Mm，其中，銅鍍層的厚度 為0. 石墨烯層的厚度為0. 01-0. 05Mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銅基石墨烯光纖電纜，其特征在于由1-1000根銅基石墨 烯光纖，構(gòu)成一束銅基石墨烯光纜，外面包裹絕緣層，絕緣層為聚乙烯或聚氯乙烯，構(gòu)成銅 基石墨烯光纖電纜。
【文檔編號】H01B9/00GK104217810SQ201410518478
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年10月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月3日
【發(fā)明者】王干, 周興國, 葉春逢 申請人:王干