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，構成單根銅基石墨烯光纖。石墨烯導電層是電力傳輸介質，內部的石英光纖是光信號傳輸介質，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

【技術領域】
[0001 ]本實用新型電力輸電領域，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銅基石墨烯光纖電纜。

【背景技術】
[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，用以構成輸電線路上的光纖通信網，這種結構形式兼具地線與通信雙重功能，一般稱作OPGW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，特別是電力配網系統(tǒng)，避免在頻率資源、路由協(xié)調、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，由于兩種材質屬性不一樣，導致產品一致性差，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；導熱系數高達5300 ff/ (m.K)，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._，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]石墨烯與石英具有很好的親和力，把石墨烯和光纖結合在一起，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)明內容】

[0006]為了解決現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。本實用新型提供一種銅基石墨烯光纖電纜。本實用新型為實現其目的所采取的技術方案: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，構成單根銅基石墨烯光纖，由于石墨烯具有高導電性，其電子遷移率是銅的100倍以上，石墨烯導電層是電力傳輸介質，由于銅的電導率比石墨烯低很多，經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，內部的石英光纖是光信號傳輸介質，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l_6Mm，石墨烯層的厚度為 0.01-0.005Mm。
[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，構成銅基石墨烯光纖電纜，石墨烯導電層是電力傳輸介質，內部的石英光纖是光信號傳輸介質，在同一根銅基石墨烯光纖電纜里實現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鍍銅方法，主要由可溶性銅鹽、還原劑、絡合齊U、穩(wěn)定劑，PH調整劑和去離子水溶液組成的混合液體，單質銅以化學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，經超聲振蕩，使石墨烯結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)境熱化學氣象沉降法和等離子無氧環(huán)境化學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，通過氣化結晶的方式，生長在石英光纖的銅鍍層上。
[0014]本實用新型的有益效果
[0015]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。
[0016]2、在石英光纖的包膜層上首先化學法鍍上一層金屬銅，使石墨烯層沉積生長在銅鍍層上，生產工藝簡單，石墨烯附著力強，石墨烯電光纜性能穩(wěn)定可靠。
[0017]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，實現一根電纜具備輸電和傳輸信息的雙重功能。
[0018]由于采用了上述技術方案，從而使本實用新型實解決傳統(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】
[0019]以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
[0020]圖1為本實用新型一種銅基石墨烯光纖電纜截面結構示意圖:
[0021]1、石英光纖纖芯，2、石英光纖包層，3、銅鍍層，4、石墨烯層，5、保護絕緣層，6、單根銅基石墨稀光纖。

【具體實施方式】
[0022]結合具體實施例和附圖對本實用新型作進一步介紹，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，保護絕緣層5。其特征在于石英光纖纖芯I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，構成單根銅基石墨烯光纖6，由于石墨烯具有高導電性，其電子遷移率是銅的100倍以上，石墨烯導電層是電力傳輸介質，由于銅的電導率比石墨烯低很多，經過銅鍍層3的電子較少，對光纖纖芯I起到信號屏蔽，使光纖纖芯I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，內部的石英光纖是光信號傳輸介質，在同一根銅基石墨烯光纖電纜里實現電力和光信號的同步傳輸。
[0023]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I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0.5_5Mm，石墨烯層4的厚度為0.01-0.005Mm。
[0024]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，構成銅基石墨烯光纖電纜，石墨烯導電層是電力傳輸介質，內部的石英光纖是光信號傳輸介質，在同一根銅基石墨烯光纖電纜里實現電力和光信號的同步傳輸。
[0025]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鍍銅方法，主要由可溶性銅鹽、還原劑、絡合劑、穩(wěn)定劑，PH調整劑和去離子水溶液組成的混合液體，使單質銅以化學鍵的固化方式固定在石英光纖的表層。
[0026]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為1-10層。
[0027]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，經超聲振蕩，使石墨烯結晶生長在石英光纖的銅鍍層上。
[0028]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)境熱化學氣象沉降法和等離子無氧環(huán)境化學氣象沉降法在石英光纖銅鍍層上生長石墨烯層。
[0029]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，通過氣化結晶的方式，生長在石英光纖的銅鍍層上。
[0030]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保護層以增其柔韌性并起保護作用，除去這層保護層的方法可以采用機械的方法，用手工刀具剝離，然后用95%的硫酸溶液在150Π90?的溫度下反應10-15分鐘，徹底的去除保護層的硅氧烷樹脂等有機保護層，然后用去離子水清洗干凈并干燥。二、除去保護層的光纖進入粗化階段，用含有HF或F-的強酸溶液對其進行弱腐蝕，選用HF =H2SiF6 =H2O=I: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(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，為下一步的化學沉積提供必要的條件，敏化液用含氯化亞錫10g/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，對經過敏化的表面進行活化處理?？蛇x用含0.25g/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范圍內鍍銅30-50分鐘，把鍍好銅的石英光纖經去離子水漂洗干凈，干燥后待用。
[0031]在附著有金屬銅鍍層的石英光纖進行石墨烯生長，取一根干凈的已經鍍銅的石英光纖，在一定空間內通過化學氣象沉降方式，使用甲烷等含碳氣體作為碳源，在900-1250°C進行石墨烯的生長，具體步驟如下，步驟一:銅鍍石英光纖表面預處理，在500-1000°C和通入高純氮氣情況下使銅鍍石英光纖的表面產生合適的著碳位點，時間為10-30分鐘；步驟二:將產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，并通入甲烷等含碳氣體，使甲烷等含碳氣體在高溫下分解，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-石英光纖電光導體，把多根石墨烯-石英光纖束結在一起，外面包裹絕緣聚乙烯或聚氯乙烯，構成一根石墨烯電光纜。
[0032]上述實施例只是說明本實用新型的技術構思及特點，其目的是讓本領域的普通技術人員能夠了解本實用新型的特點并據以實施，并不能以此限制本實用新型的保護范圍。凡是根據本實用新型內容的實質所進行的等效變化或修飾，均應涵蓋在本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
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，構成單根銅基石墨稀光纖。
2.根據權利要求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120-125Wn，銅基石墨烯光纖的直徑在121_137Wn，其中，銅鍍層的厚度為0.1_6μιη，石墨烯層的厚度為0.01-0.05μιη。
【文檔編號】H01B9/02GK204143944SQ201420572567
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月3日 優(yōu)先權日:2014年10月3日
【發(fā)明者】王干, 周興國, 葉春逢 申請人:王干