阅读说明：本技术 石墨烯线、使用石墨烯线的电缆及其制造方法 (Graphene wire, cable using same, and method for manufacturing same ) 是由 元栋观 柳在喆 于 2017-02-27 设计创作，主要内容包括：提供了石墨烯线、使用该石墨烯线的电缆及制造电缆的方法。所述石墨烯线包括：催化金属线；以及石墨烯层,其涂覆在所述催化金属线的表面上,其中所述催化金属线包括由至少两根单芯线彼此绞合而形成的绞线。(Graphene wires, cables using the same, and methods of manufacturing cables are provided. The graphene wire includes: a catalytic metal wire; and a graphene layer coated on a surface of the catalytic metal wire, wherein the catalytic metal wire includes a stranded wire formed by twisting at least two single-core wires with each other.)

石墨烯线、使用石墨烯线的电缆及其制造方法

本申请是申请号为201780000440.9、申请日为2017年2月27日、发明名称为“石墨烯线、使用石墨烯线的电缆及其制造方法”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及石墨烯线、使用该石墨烯线的电缆及其制造方法。

背景技术

石墨烯是其中碳原子以二维排列的薄膜材料。石墨烯具有非常高的导电性，因为电荷在其中作为零有效质量粒子(zero effective mass particle)起作用，并且石墨烯还具有高导热性和高弹性。此外，据报道，即使在窄线宽下，石墨烯也有利于发送高频信号，而不受噪声的影响。

石墨烯可以以线的形式和平板形式制造，并且可以应用于必要地设置在电气和电子设备中的电路板的配线、透明显示器、柔性显示器、音响设备等中。

发明内容

技术问题

本发明的一个或多个实施方式提供了石墨烯线和石墨烯线的制造方法。

技术方案

根据本发明的实施方式，提供了一种石墨烯线，其包括催化金属线和石墨烯层，所述石墨烯层涂覆在催化金属线的表面上，其中催化金属线包括由至少两根单芯线彼此绞合而形成的绞线。

有益效果

根据本发明的实施方式，石墨烯线和电缆包括：催化金属线，所述催化金属线包括由单芯线绞合而形成的绞线，以便提高其拉伸强度、柔性和电特性；以及石墨烯层，其形成在催化金属线上，以便改善导电性而不破坏石墨烯层。

本发明的效果可以从如下参考附图提供的描述以及从上面的描述中推导得到。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的石墨烯线的立体图；

图2是图1的石墨烯线的截面图；

图3a和图3b是根据本发明的其它实施方式的石墨烯线的截面图；

图4a至图4d是根据本发明的其它实施方式的石墨烯线的截面图；

图5是根据本发明的另一个实施方式的石墨烯线的截面图和立体图；

图6是根据本发明的一个实施方式的电缆的截面图和立体图；

图7是根据本发明的另一个实施方式的电缆的截面图；

图8是可以应用根据本发明的一个或多个实施方式的石墨烯线或电缆的耳机的示意图；以及

图9是表示根据本发明的一个实施方式的电缆的制造工艺的流程图。

具体实施方式

根据本发明的一个方面，一种石墨烯线包括：催化金属线；以及石墨烯层，所述石墨烯层涂覆在所述催化金属线的表面上，其中所述催化金属线包括由至少两根单芯线彼此绞合而形成的绞线。

催化金属线还可以包括金属层，其涂覆在绞线的表面上。

金属层可以包括铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、钛(Ti)、铂(Pt)、锆(Zr)、钒(V)、铑(Rh)和钌(Ru)中的至少一者。

所述单芯线的数量可以是2至10根。

石墨烯线还可以包括绝缘层，其围绕石墨烯层。

根据本发明的一个方面，一种电缆包括：至少一根石墨烯线；张力线，其在所述至少一根石墨烯线的周围沿长度方向布置；以及绝缘护套，其围绕所述至少一根石墨烯线和所述张力线的周边，其中所述至少一根石墨烯线包括：绞线，所述绞线由至少两根单芯线彼此绞合而形成；以及石墨烯涂层，其围绕绞线的周边设置。

绞线还可以包括金属层，其设置在绞合的至少两根单芯线的表面上。

电缆还可以包括绝缘层，其围绕石墨烯涂层。

张力线可以包括凯夫拉芳纶纱、纤维玻璃环氧棒、纤维增强聚乙烯(FRP)、高强度纤维、镀锌钢线和钢线中的至少一种。

至少一根石墨烯线可以设置为多根石墨烯线，并且多根石墨烯线可以彼此绞合。

根据本发明的一个方面，一种制造电缆的方法，所述方法包括：通过彼此绞合至少两根单芯线而形成绞线形式的催化金属线；通过化学气相沉积法在所述催化金属线的表面上合成石墨烯层来制造石墨烯线；在所述石墨烯线的周围沿长度方向布置张力线；以及形成围绕所述石墨烯线和所述张力线的绝缘护套。

张力线可以包括凯夫拉芳纶纱、纤维玻璃环氧棒、纤维增强聚乙烯(FRP)、高强度纤维、镀锌钢线和钢线中的至少一种。

合成石墨烯层可以在高于张力线的熔点的温度下进行。

绝缘护套可以包括氟树脂或编织材料。

在合成石墨烯层之前，可以在催化金属线上进行等离子体工艺、激光工艺和预热工艺中的至少一种。

实施例

由于本发明的概念允许各种改变和许多实施方式，特定实施方式将在附图中示出并在书面描述中详细描述。参考用于说明一个或多个实施方式的附图，以便获得充分的理解、其优点以及通过实施实现的目的。然而，实施方式可以具有不同的形式，并且不应被解释为限于本文所阐述的描述。

以下将参考附图更详细地描述示例实施方式。不管图号如何，相同或相对应的部件被赋予相同的附图标记，并且省略了多余的说明。

虽然诸如“第一”、“第二”等术语可以用于描述各种部件，但是这些部件不能局限于上述术语。上述术语仅用于将一个部件与另一个部件区分开。使用单数的表达方式包括复数的表达，除非在上下文中具有明显不同的含义。在本说明书中，应当理解，诸如“包括”、“具有”和“包含”的术语旨在表示存在在本说明书中公开的特征、数字、步骤、动作、部件、部分或其组合，并不意图排除可能存在或可以添加一个或多个其它特征、数字、步骤、动作、部件、部分或其组合的可能性。

应当理解，当层、区域或部件被称为“形成在另一层、区域或部件上”时，其可以直接或间接形成在另一层、区域或部件上。也就是说，例如，可能存在中间的层、区域或部件。

为了便于说明，附图中的部件的尺寸可能被夸大。换句话说，为了便于说明，附图中的部件的尺寸和厚度被任意地示出，以下实施方式不限于此。

当可以不同地实现某个实施方式时，可以不同于所描述的顺序执行特定的处理顺序。例如，可以基本上同时执行两个连续描述的处理或者以与所描述的顺序相反的顺序执行。

图1是根据本发明的一个实施例的石墨烯线10的立体图，图2是图1的石墨烯线10的截面图，并且图3a和图3b是根据本发明的其它实施方式的石墨烯线11和石墨烯线12的截面图。

参考图1和图2，石墨烯线10包括催化金属线110和石墨烯层120，所述石墨烯层120涂覆在催化金属线110的表面上，催化金属线110包括由至少两根单芯线110a彼此绞合而形成的绞线。

催化金属线110是用于合成石墨烯层120的金属，并且包括由至少两根单芯线110a彼此绞合而形成的绞线。在图1中示出两根单芯线110a被绞合的形式，但是可以提供三根或更多根单芯线110a，如图3a和图3b所示。图3a的石墨烯线11包括由三根单芯线110a彼此绞合而形成的绞线。图3b的石墨烯线12包括由七根单芯线110a彼此绞合而形成的绞线。然而，单芯线110a的数量不限于此。单芯线110a的数量可以根据线的用途而被调整，并且在本发明的范围内包括两根以上的单芯线。在一些实施方式中，单芯线110a的数量可以是两至十根。这可以应用于柔性电缆。

多根单芯线110a可以沿顺时针方向或逆时针方向螺旋地绞合，以便设置成绞线。可以通过将多根单芯线110a彼此绞合来形成绞线，以确保线的拉伸强度、加工容易性、柔性、电特性等。

单芯线110a可以包括用于合成石墨烯层120的金属。例如，单芯线110a可以包括铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、钛(Ti)、铂(Pt)、锆(Zr)、钒(V)、铑(Rh)和钌(Ru)中的至少一者。单芯线110a可以包括含有90％以上上述材料之一的金属，但不限于此。

在催化金属线110的表面上合成石墨烯层120以涂覆催化金属线110的表面。也就是说，石墨烯层120涂覆在由至少两根单芯线110a彼此绞合而形成的绞线的表面上。

石墨烯层120是多个碳原子彼此以共价键连接而形成的二维(2D)平面板形式，并且通过共价键连接的碳原子形成六元环作为基本重复单元，并且还可以包括五元环和/或七元环。石墨烯层120可以具有各种结构，并且结构可以根据可能包括在石墨烯层120中的五元环和/或七元环的含量而变化。石墨烯层120可以是包括通过共价键(通常是sp2键)连接的碳原子的单层，但是可以包括堆叠多个单层的多层。石墨烯层120具有非常高的载荷子迁移率，因此在石墨烯线10、11和12中可以改善电荷速度。

特别地，由于电荷可以在高频下沿导体的表面移动，所以在高频下石墨烯线10、11和12中的电荷速度可以通过在催化金属线110的表面上形成的石墨烯层120来改善。

在本发明的实施方式中，石墨烯层120不是设置成围绕多根单芯线110a中的每一根的周边，而是设置成围绕由多根单芯线110a绞合而形成的绞线的周边。

如果在多根单芯线110a的每一根上形成石墨烯层120之后进行将多根单芯线110a彼此绞合的绞线处理操作，则形成在多根单芯线110a中的每一根的表面上的石墨烯层120可能被损坏，从而降低了线的性能。在本发明的实施方式中，在将多根单芯线110a彼此绞合之后，在绞线的表面上形成石墨烯层120，因此可以防止在绞线处理操作期间对石墨烯层120的损坏。

石墨烯层120可以通过化学气相沉积(CVD)方法合成。例如，将催化金属线110和含碳气体(CH₄、C₂H₂、C₂H₄、CO等)加入到腔室中并加热，使得催化金属线110吸收碳。然后，进行快速冷却以使碳结晶，然后可以合成石墨烯层120。

图4a至图4b是根据本发明的其它实施方式的石墨烯线13、14、15的截面图。在图4a至图4b中，与图1相同的附图标记表示相同的元件，并且省略其详细描述。

参考图4a至图4d，石墨烯线13、14、15和16各自包括催化金属线110和涂覆在催化金属线110的表面上的石墨烯层120，催化金属线110包括由两根以上单芯线110a彼此绞合而形成的绞线。

催化金属线110包括设置在绞线的表面上的金属层113。也就是说，金属层113设置在绞线和石墨烯层120之间。金属层113可以用作用于合成石墨烯层120的催化金属。在这种情况下，单芯线110a可以包括导电材料，例如铜(Cu)、铝(Al)等，并且金属层113可以包括与单芯线110a的材料相同种类或不同种类的材料。例如，金属层113可以包括铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、钛(Ti)、铂(Pt)、锆(Zr)、钒(V)、铑(Rh)和钌(RU)中的至少一种。金属层113可以通过电镀法或沉积法形成。由于当合成石墨烯层120时金属层113用作催化金属，因此单芯线110a可以包括除催化金属材料以外的各种材料。或者，单芯线110a的纯度可以低于金属层113的纯度。例如，单芯线110a可以包括低纯度的Cu，并且金属层113可以包括纯度为99.9％以上的Cu。

提供金属层113用于合成石墨烯层120，并且可以在绞合多根单芯线110a之后形成。然而，一个或多个实施方式不限于此。如图4d所示，在围绕多根单芯线110a中的每一根形成金属层113之后，可以使多根单芯线110a彼此绞合以形成绞线。

在本发明的实施方式中，石墨烯层120不是设置成围绕多根单芯线110a中的每一根的周边，而是设置成围绕由多根单芯线110a绞合而形成的绞线的周边。

如果在多根单芯线110a中的每一根上形成石墨烯层120之后进行将多根单芯线110a彼此绞合的绞线处理操作，则形成在多根单芯线110a中的每一根的表面上的石墨烯层120可能被损坏，从而降低了线的性能。在本发明的实施方式中，在将多根单芯线110a彼此绞合之后，在绞线的表面上形成石墨烯层120，因此可以防止在绞线处理操作期间对石墨烯层120的损坏。

图5是根据本发明的另一个实施方式的石墨烯线17的截面图和立体图。在图5中，与图1相同的附图标记表示相同的元件，并且省略其详细描述。

参考图5，石墨烯线17包括催化金属线110和涂覆在催化金属线110的表面上的石墨烯层120，并且催化金属线110包括由至少两根单芯线110a彼此绞合而形成的绞线。此外，石墨烯线17还包括围绕石墨烯层120的绝缘层140。

绝缘层140可以通过用绝缘体(例如氟树脂)涂覆石墨烯层120的外部或者通过用编织材料围绕石墨烯层120来形成。绝缘层140可以使石墨烯线17绝缘。

氟树脂统一表示分子中含氟原子的树脂，例如聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、乙烯四氟乙烯(ETFE)等或其组合。氟树脂可以通过熔融成型法形成为涂布产品、模制品或成型制品，但是在具有高熔融粘度的氟树脂的情况下，粉末形式的氟树脂可以被烧结以形成成型制品。

编织材料可以通过编织纤维形成，并且可以包括聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维等。

图6是根据本发明的一个实施方式的采用石墨烯线10的电缆20的截面图和立体图。图7是根据本发明的另一个实施方式的采用石墨烯线18的电缆21的截面图。在图6和图7中，与图1相同的附图标记表示相同的元件，并且省略其详细描述。

参考图6，电缆20包括至少一根石墨烯线10；张力线310，其与石墨烯线10一起沿长度方向布置；以及绝缘护套320，其围绕石墨烯线10和张力线310。

石墨烯线10包括催化金属线110和涂覆在催化金属线110的表面上的石墨烯层120，并且催化金属线110包括由至少两根单芯线110a彼此绞合而形成的绞线。

张力线310加强电缆20的拉伸强度，以便保护电缆20中的石墨烯线10，并且可以包括凯夫拉芳纶纱(Kevlar aramid yarn)、纤维玻璃环氧棒、纤维增强聚乙烯(FRP)、高强度纤维、镀锌钢线、钢线等。可以设置多个张力线310，张力线310的直径和数量可以根据电缆20所要求的弯曲特性、拉伸强度等而变化。

张力线310的熔点可以低于石墨烯层120的合成温度。例如，凯夫拉芳纶纱具有约300℃的熔点，其低于石墨烯层120的合成温度，即600℃至1050℃。因此，在合成石墨烯层120之前不能施加张力线310。因此，优选地，在制造石墨烯线10之后，可以通过装配工艺将张力线310施加到电缆20。

绝缘护套320围绕石墨烯线10和张力线310。绝缘护套320可以通过涂覆绝缘体(例如氟树脂)或者通过用编织材料围绕石墨烯线10和张力线310来形成。

氟树脂统一表示分子中含氟原子的树脂，例如聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、乙烯四氟乙烯(ETFE)等或其组合。氟树脂可以通过熔融成型法形成为涂布产品、模制品或成型制品，但是在具有高熔融粘度的氟树脂的情况下，粉末形式的氟树脂可以被烧结以形成成型制品。

编织材料可以通过编织纤维形成，并且可以包括聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维等。

在图6中，电缆20采用图1所示的石墨烯线10作为示例，但是本发明的实施方式不限于此。根据本发明的实施方式的电缆可以包括图1至图5所示的石墨烯线10、11、12、13、14、15和16及其变形例。

例如，参考图7，电缆21包括至少两根石墨烯线18和张力线310，并且还包括围绕石墨烯线18和张力线310的绝缘护套320。

石墨烯线18包括催化金属线110和涂覆在催化金属线110的表面上的石墨烯层120，并且催化金属线110包括由至少两根单芯线110a彼此绞合而形成的绞线。此外，石墨烯线18还可以包括围绕绞线的绝缘层140。在图7中，催化金属线110被示作三根单芯线110a彼此绞合而成的绞线，但不限于此。

电缆21包括至少两根石墨烯线18，并且至少两根石墨烯线18可以彼此绞合。在图7中，布置有两根石墨烯线18，但是实施方式不限于此。石墨烯线18的数量可以根据电缆21的特性而进行各种变化。

根据本发明的实施方式的石墨烯线10、11、12、13、14、15、16、17和18以及电缆20和21可以应用于各种领域。例如，石墨烯线10、11、12、13、14、15、16、17和18以及电缆20和21可以应用于通信电缆、射频(RF)电缆、电力电缆等。此外，如图8所示，石墨烯线10、11、12、13、14、15、16、17和18以及电缆20和21可以应用于在耳机或耳麦等中使用的音频电缆。或者，石墨烯线10、11、12、13、14、15、16、17和18以及电缆20和21可以应用于将音频设备连接到扬声器的音频电缆。

例如，参考图8，耳机包括连接插头31、从连接插头31延伸的延伸电缆34以及从延伸电缆34的一端分支并延伸的分离电缆34a和34b。佩戴在耳朵中的佩戴主体32a和32b可以分别接合到分离电缆34a和34b的一端。插入凹部固定件35a和突起固定件35b可以设置在接合到佩戴主体32a和32b的分离电缆34a和34b部分上。在此，根据本发明的实施方式的石墨烯线10、11、12、13、14、15、16、17和18以及电缆20和21可以应用于延伸电缆34和分离电缆34a和34b。

图9是表示本发明的实施方式的电缆20的制造工艺的流程图。

参考图9，至少两根单芯线110a彼此绞合以制备绞线形式的催化金属线110(步骤S1)。至少两根单芯线110a可以沿顺时针方向或逆时针方向绞合。催化金属线110可以通过在绞线上电镀或涂覆金属层113而形成。催化金属线110和/或金属层113可以包括铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、钛(Ti)、铂(Pt)、锆(Zr)、钒(V)、铑(Rh)和钌(Ru)中的至少一种。

在形成石墨烯层120之前，可以在催化金属线110的表面上进行选自由等离子体工艺、激光工艺、预热工艺及其组合所组成的组中的工艺。等离子体工艺和激光工艺可以是用于去除催化金属线110上的杂质并用于致密化金属构件的组织的工艺，其中从催化金属线110合成石墨烯。预热工艺可以是在合成和/或涂覆石墨烯层120之前将催化金属线110预先加热到易于进行化学气相沉积的温度的工艺。

接下来，在多根单芯线110a彼此绞合而形成的绞线的表面上合成石墨烯层120(步骤S2)。石墨烯层120通过CVD法合成并且同时被涂覆，例如，石墨烯层120通过注入包括碳源的反应气体的CVD法合成并同时涂覆在催化金属线110的表面上，但不限于此。

CVD方法可以包括热化学气相沉积(T-CVD)法、快速热化学气相沉积(RTCVD)法、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法、电感耦合等离子体增强化学气相沉积(ICPCVD)法、金属有机化学气相沉积(MOCVD)法、低压化学气相沉积(LPCVD)法、大气压化学气相沉积(APCVD)法或激光加热法等，但不限于此。

首先，将催化金属线110放入腔室中，并且催化金属线110的温度升高至600℃以上的高温、优选约800℃至1050℃。催化金属线110的重结晶/晶体生长行为可以随着升高温度和温度升高的速度而变化。在一些实施方式中，可以在几秒至几分钟内快速进行温度升高，使得催化金属线110中的晶粒尺寸增加，并且晶体可以沿一定的结晶方向生长。在上述条件下，可以合成电阻值非常低的石墨烯。

接下来，供应碳源以在催化金属线110的表面上合成石墨烯。

碳源包括：选自由一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙醇、乙炔、丙烷、丁烷、丁二烯、戊烷、戊烯、环戊二烯、己烷、环己烷、苯、甲苯及其组合组成的组中的碳源；或选自由焦油、聚合物、煤及其组合所组成的组中的固态碳源，但不限于此。碳源可以单独存在，或者可以与惰性气体例如氦、氩等共存。此外，碳源还可以包括氢气。氢气可用于保持基材表面的清洁度并控制气相反应。

当在供应气相的碳源的同时进行热处理时，存在于碳源中的碳组分被组合以在催化金属线110的表面上形成主要为六边形形状的板状结构，以合成石墨烯层120。接着，在恒定的速度下进行室温的冷却工艺，以提高合成石墨烯层120的稳定性，并完成石墨烯线10的制造。

在制造石墨烯线10之后，沿长度方向与石墨烯线10一起布置张力线310(步骤S3)。然后，用绝缘护套320围绕石墨烯线10和张力线310(步骤S4)。

张力线310加强电缆20的拉伸强度，以便保护电缆20中的石墨烯线10，并且可以包括凯夫拉芳纶纱、纤维玻璃环氧棒、纤维增强聚乙烯(FRP)、高强度纤维、镀锌钢线、钢线等。可以设置多个张力线310，张力线310的直径和数量可以根据电缆20所要求的弯曲特性、拉伸强度等而变化。

张力线310的熔点可以低于石墨烯层120的合成温度。例如，凯夫拉芳纶纱具有约300℃的熔点，其低于石墨烯层120的合成温度，即600℃至1050℃。因此，在合成石墨烯层120之前不能施加张力线310。因此，优选地，在制造石墨烯线10之后，可以通过装配工艺将张力线310施加到电缆20。

绝缘护套320围绕石墨烯线10和张力线310。绝缘护套320可以通过涂覆绝缘体(例如氟树脂)或者通过用编织材料围绕石墨烯线10和张力线310来形成。

氟树脂统一表示分子中含氟原子的树脂，例如聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、乙烯四氟乙烯(ETFE)等或其组合。氟树脂可以通过熔融成型法形成为涂布产品、模制品或成型制品，但是在具有高熔融粘度的氟树脂的情况下，粉末形式的氟树脂可以被烧结以形成成型制品。

编织材料可以通过编织纤维形成，并且可以包括聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维等。

如上所述，根据本发明的实施方式的石墨烯线10、11、12、13、14、15、16、17和18以及电缆20和21包括具有绞线的催化金属线110，在所述绞线中单芯线110a彼此绞合，因此可以具有改善的拉伸强度、柔性和电特性。此外，石墨烯层120形成在催化金属线110上，因此可以改善电导率而不损害石墨烯层120。

虽然已经参考附图描述了一个或多个实施方式，但是本领域普通技术人员将会理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明构思的精神和范围的情况下，可以对其形式和细节进行各种改变。