Графеновый электропровод и способ его изготовления (варианты)



Графеновый электропровод и способ его изготовления (варианты)
Графеновый электропровод и способ его изготовления (варианты)

 


Владельцы патента RU 2574528:

Общество с ограниченной ответственностью "АкКо Лаб" (RU)

Изобретение относится к области электрической техники, в частности безметаллическому электрическому проводнику и способам его получения, и может быть использовано в различных областях техники. Графеновый электропровод состоит из центрального несущего диэлектрического волокна, покрывающего его поверхность проводящего слоя графена и изолирующего защитного покрытия. В качестве центрального несущего диэлектрического волокна могут быть использованы волокна из класса синтетических химических волокон, или термостойкие волокна на основе полиароматики, или волокна из класса природных натуральных волокон, минеральные волокна. Способ изготовления графенового электропровода включает нанесение слоя графена на поверхность центрального несущего диэлектрического волокна и далее нанесение изолирующего защитного покрытия. При этом слой графена получают путем нанесения слоя оксида графена на поверхность центрального несущего диэлектрического волокна с его последующим восстановлением до графена, или путем термораспада углеродсодержащих соединений, или через газовую фазу путем пропускания углеводородных газов над поверхностью волокна, нагретого до температуры 600-1200°С, или путем науглероживания поверхности волокна потоком атомов углерода. Техническим результатом изобретения является снижение тепловыделения и уменьшение веса электропровода. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 пр.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электрической техники, в частности к безметаллическому электрическому проводнику. Изобретение относится также к способам изготовления графеновых проводников, применяемых в различных областях техники, в том числе там, где нежелательно использовать металлические электропровода.

Уровень техники

Использующиеся сегодня провода для передачи энергии электрического тока состоят из меди или алюминия. Медь, как правило, используется внутри помещений: дома, квартиры, офисы, самолеты, Международные космические станции и т.п.

Алюминий - для передачи на большие расстояния. Существуют определенные ограничения на сечение металлических проводов для передачи энергии определенной мощности. Вызвано это в первую очередь наличием внутреннего сопротивления и связанным с ним тепловыделением при прохождении тока.

Физическая природа 2D-кристалла графена такова, что электроны в графене перемещаются на значительные расстояния без рассеяния - баллистически; отсюда допустимая плотность тока в графене на 6 порядков может превышать этот показатель для меди. Кроме того, баллистическая проводимость практически не связана с выделением тепла (А.Г. Алексеенко. Графен. - М.: БИНОМ Лаборатория знаний, 2014).

Кроме того, тот факт, что углерод графена в 2,2 раза легче Al и в 5 раз легче Cu, - обстоятельство критически важное для летательных аппаратов, где общий вес медных проводов достигает нескольких тонн. В этом случае сокращение веса проводов позволит увеличить полезную нагрузку летательного аппарата.

Однако отмеченные выше уникальные физические характеристики графена установлены на отдельных чешуйках наноразмеров (С.П. Губин, С.В. Ткачев. Графен и родственные наноформы углерода. - М.: Книжный дом ЛИБРОКОМ, 3-е изд., 2014).

Чтобы оценить практическую значимость уникальных электрофизических характеристик графена необходимо провести всесторонние испытания графенового электропровода достаточной длины. Однако способы создания таких графеновых проводов до последнего времени были неизвестны, поэтому в уровне техники не выявлено наиболее близкого устройства (прототипа) графенового электропровода и способа его изготовления.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения - создание технологии изготовления электропровода неограниченной длины на основе графена.

Указанная задача решается тем, что графеном покрывают поверхность подложки неограниченной длины, в качестве которой используются промышленно выпускаемые волокна как полимерные, так и минеральные; они тонкие (0,6-25 мкм), легкие (1,2 - 2,8 г/см3) и имеют практически неограниченную длину.

Графеновые электропровода найдут применение там, где по тем или иным причинам нежелательно использование металлических электропроводов.

Технический результат - снижение тепловыделения и уменьшение веса электропровода.

Указанный технический результат достигается тем, что графеновый электропровод состоит из трех частей: центрального несущего диэлектрического волокна, покрывающего его поверхность проводящего слоя графена и изолирующего защитного покрытия.

В качестве центрального несущего диэлектрического волокна могут быть использованы волокна из класса синтетических химических волокон или термостойкие волокна на основе полиароматики.

В качестве центрального несущего диэлектрического волокна могут быть использованы волокна из класса природных натуральных волокон.

В качестве центрального несущего диэлектрического волокна могут быть использованы минеральные волокна.

Указанный технический результат достигается тем, что способ изготовления графенового электропровода включает нанесение слоя графена на поверхность центрального несущего диэлектрического волокна и далее нанесение изолирующего защитного покрытия.

Возможно предварительное нанесение слоя оксида графена на поверхность центрального несущего диэлектрического волокна с его последующим восстановлением до графена известными методами.

Возможно также изготовление слоя графена на центральном несущем диэлектрическом волокне путем термораспада углеродсодержащих соединений на его поверхности путем предварительного покрытия поверхности ароматическим полимером или пеком, а также через газовую фазу путем пропускания углеводородных газов над поверхностью волокна, нагретого до температуры 600-1200°С.

Возможно изготовление слоя графена на центральном несущем диэлектрическом волокне путем науглероживания поверхности волокна потоком атомов углерода.

Для увеличения электропроводности электропровода может быть проведено повторное нанесение графена на уже покрытое центральное несущее диэлектрическое волокно одним из заявленных способов.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена принципиальная схема технологии непрерывного производства графенового провода.

На фиг. 2 представлено схематическое изображение безметаллического графенового провода.

На фигурах приняты следующие обозначения: 1 - кислотно-щелочная модификация; 2 - сушка; 3 - обработка раствором восстановителя; 4 - термообработка; 5 - нанесение защитного покрытия; 6 - защитное покрытие; 7 - графен; 8 - диэлектрическое волокно.

Осуществление изобретения

Безметаллический графеновый электропровод (фиг. 2) состоит из трех частей:

а) центрального несущего диэлектрического волокна 8;

б) покрывающего поверхность волокна 8 проводящего слоя графена 7;

в) известного стандартного изолирующего защитного покрытия 6, например полимерного.

В качестве центрального несущего диэлектрического волокна могут быть использованы волокна из класса синтетических химических волокон: ацетатное, полиамидное, полиэфирное, полиакрилонитрильное, полипропиленовое, полиуретановое и др., а также термостойкие волокна на основе полиароматики: кевлар и др.

В качестве центрального несущего диэлектрического волокна могут быть также использованы волокна из класса природных натуральных волокон: шелк, шерсть, волосы, хлопок, лен.

В качестве центрального несущего диэлектрического волокна также могут быть использованы минеральные волокна: стеклянное, асбестовое, базальтовое.

Нанесение слоя графена на поверхность центрального несущего диэлектрического волокна может осуществляться следующим образом:

- на поверхность центрального волокна предварительно наносят слой оксида графена с его последующим восстановлением до графена известными методами;

- слой графена на волокне создают путем термораспада углеродсодержащих соединений на его поверхности как путем предварительного покрытия поверхности ароматическим полимером или пеком, так и через газовую фазу путем пропускания углеводородных газов над поверхностью волокна, нагретого до температуры 600-1200°С;

- слой графена на волокне создают путем науглероживания поверхности волокна потоком атомов углерода различного происхождения: магнетронного, лазерной абляции, электродугового и др.

С целью увеличения электропроводности электропровода проводят повторное нанесение графена на уже покрытое центральное волокно одним из перечисленных способов.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами, не ограничивающими предмет изобретения.

Предлагается несколько способов (вариантов) изготовления графенового электропровода.

Вариант 1

Электростатическое взаимодействие предварительно разноименно-заряженных оксида графена и поверхности волокна. Принципиальная схема технологии непрерывного производства графенового провода приведена на фиг. 1.

Стадия 1 - В зависимости от состава волокно в ванне 1 обрабатывается щелочью, и его поверхность приобретает отрицательный заряд, или кислотой, и тогда его поверхность приобретает положительный заряд.

Стадия 2 - В ванну 3 наливается водная дисперсия оксида графена, в которой чешуйки оксида графена заряжены противоположно заряду, полученному волокном в ванне 1.

Стадия 3 - Процесс восстановления оксида графена до графена на поверхности волокна; на фиг. 1 показан один из вариантов восстановления - термообработка в печи в интервале температур 250-800°С. Вместо печи здесь может находиться ванна с раствором восстановителя; в качестве последнего может использоваться любой из известных восстановителей оксида графена: глюкоза, аскорбиновая кислота, цитрат натрия, спирты, NaBH4 и другие гидриды, чай, танины и другие восстановители, а также электрический ток.

Последняя стадия - Ванна 4, нанесение изолирующего покрытия стандартным методом.

Вариант 2

Ковалентное связывание поверхности волокна и оксида графена с последующим восстановлением последнего.

Для ковалентного связывания используются линкеры - полифункциональные соединения, способные одним концом связываться с поверхностью волокна, другим - с функциональными группами оксида графена. В качестве таких линкеров в зависимости от природы волокна используются полигалогениды (SiCl4, TiCl4, POCl3 и др.), ω-галогенкарбоновые кислоты, ω-дикислоты, ω-диамины и другие полифункциональные молекулы. В этом случае на схеме (см. фиг. 1) две последние стадии остаются неизменными, а вместо ванн 1 и 3 появляются реакторы, в которых волокно и оксид графена обрабатываются линкерами (в растворах или непосредственно).

Вариант 3

Волокно пропускается через реактор стандартной CVD установки, где в токе смеси аргона и углеводородного газа в интервале температур 800-1200°С покрывается пленкой графена. В качестве углеводородного газа используются метан, этан, этилен, ацетилен, изопрен, бензол, ксилол и др.

В результате получают графеновый электропровод с сопротивлением от 2 Ом до 500 кОм в зависимости от сечения.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного комплекса не известна из уровня техники и значит соответствует условию патентоспособности «Новизна».

В уровне техники не было выявлено признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения и влияющих на достижение заявленного технического результата, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».

Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявляемого графенового электропровода в электротехнике для передачи энергии электрического тока, и поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».

1. Графеновый электропровод, характеризующийся тем, что он состоит из центрального несущего диэлектрического волокна, покрывающего его поверхность проводящего слоя графена и изолирующего защитного покрытия.

2. Электропровод по п. 1, отличающийся тем, что в качестве центрального несущего диэлектрического волокна он содержит волокно из класса синтетических химических волокон или термостойкое волокно на основе полиароматики.

3. Электропровод по п.1, отличающийся тем, что в качестве центрального несущего диэлектрического волокна он содержит волокно из класса природных натуральных волокон.

4. Электропровод по п.1, отличающийся тем, что в качестве центрального несущего диэлектрического волокна он содержит минеральные волокна.

5. Способ изготовления графенового электропровода по любому из пп. 1-4, характеризующийся тем, что на поверхность центрального несущего диэлектрического волокна наносят слой графена и затем наносят изолирующее защитное покрытие.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что на поверхность центрального несущего диэлектрического волокна предварительно наносят слой оксида графена с его последующим восстановлением до графена.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что слой графена на центральном несущем диэлектрическом волокне создают путем термораспада углеродсодержащих соединений на его поверхности путем предварительного покрытия поверхности ароматическим полимером или пеком.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что слой графена на центральном несущем диэлектрическом волокне создают путем термораспада углеродсодержащих соединений на его поверхности через газовую фазу путем пропускания углеводородных газов над поверхностью волокна, нагретого до температуры 600-1200°С.

9. Способ по п. 5, отличающийся тем, что слой графена на центральном несущем диэлектрическом волокне создают путем науглероживания поверхности волокна потоком атомов углерода.

10. Способ по одному из пп. 5-9, отличающийся тем, что для увеличения электропроводности электропровода проводят повторное нанесение графена на уже покрытое центральное несущее диэлектрическое волокно.



 

Похожие патенты:

Настоящее изобретение относится к материалу, который содержит, по меньшей мере, эластичную и электропроводящую область, интегрированную непосредственно в материал, к способу для получения материала, а также к использованию кремнекаучука, снабженного электропроводящим материалом для получения материала согласно изобретению, и также относится к устройству, содержащему материал, а также к предмету одежды, содержащему такое устройство.
Изобретение относится к изготовлению электротехнических изделий из композиционного материала. Электротехническое изделие изготовлено из токопроводящего композиционного материала формованием методом холодного прессования, при этом токопроводящий композиционный материал содержит 40÷55 мас.% порошка естественного графита, 30÷15 мас.% связующего на основе новолачной смолы, 30 мас.% медного порошка и дополнительно поливинилацетат в качестве пластификатора в количестве 9÷35 мас.% от суммарной массы порошкообразных компонентов.

Настоящее изобретение относится к маточной смеси в твердой агломерированной форме для электродов литий-ионных батарей или суперконденсаторов, способу получения такой маточной смеси, концентрированной маточной смеси, способу изготовления электрода, электроду, полученному таким способом, способу изготовления активного композитного материала для электрода, активному композитному материалу для электрода, полученному таким способом, и применению маточной смеси.

Изобретение к электропроводным тонким пленкам с высокой термостойкостью. Электропроводные тонкопленочные металлические структуры с температурами длительной эксплуатации 300°C и выше представляют значительный практический интерес в ряде технических областей применения, например, таких как элементы на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Изобретение относится к электрическому проводу и электрическому проводу с контактным наконечником, способному уменьшить регулировку высоты обжатия. Предусмотрен электрический провод 1, включающий в себя проводящую часть 11, которая выполнена из дисперсно-упрочненного медного сплава с площадью поперечного сечения сечением 0,13 квадрата по стандарту ISO 6722 и подвергнута сжатию, причем проводящая часть 11 имеет степень удлинения 7% или более и предел прочности на растяжение 500 МПа или более.

Изобретение относится к поливинилсульфоновой кислоте, используемой в качестве легирующей высокомолекулярной добавки, к способу получения поливинилсульфоновой кислоты, к композиту, к вариантам дисперсии, к вариантам способа получения дисперсии, а также к вариантам электропроводного слоя.

Изобретение относится к области электротехники, а термореактивный полимерный «электроактивный» материал может найти широкое применение при создании преобразователей внешнего воздействия физических полей в электрический сигнал.

Изобретение относится к области электротехнической промышленности, в частности к разработке электролитов для химических источников тока. Состав электролита включает по крайней мере одну соль электролита и растворитель, где в качестве соли электролита содержится литиевая соль додецилбензолсульфоновой кислоты в количестве 25-55% (мас.) и в качестве растворителя содержится вода 75-45% (мас.) либо натриевая соль додецилбензолсульфоновой кислоты в количестве 70-88% (мас.) и вода 30-12% (мас.).

Изобретение относится к изделию, а именно к силовому кабелю, включающему полупроводниковый слой, содержащий полупроводниковую полиолефиновую композицию. Композиция содержит графеновые нанопластинки, где средняя толщина графеновых нанопластинок находится в диапазоне от 1 нм до 50 нм, а их боковой диаметр составляет 200 мкм или менее, и олефиновую полимерную смолу основы.
Изобретение относится к способу получения электропроводящих эластомерных металлсодержащих композиций. Способ включает введение формиата меди в этиленпропиленовый каучук и последующее высокоскоростное термическое разложение формиата меди в каучуке.

Использование: для формирования наноразмерных полимерных шаблонов с контролируемыми геометрическими параметрами в микро- и наноэлектронике. Сущность изобретения заключается в том, что способ формирования полимерных шаблонов наноструктур разной геометрии, включает формирование цифрового шаблона наноструктур, перенос этого шаблона на поверхность позитивного резиста, нанесенного на подложку, проявление резиста, в качестве подложки наряду с полупроводниковыми используются подложки, покрытые металлом, при этом шаблоны в форме наноразмерных колец формируют одноточечным экспонированием позитивного резиста электронным пучком диаметром 2 нм и дозой в диапазоне от 0.2 пКл до 100 пКл на точку, а шаблоны наноструктур сложной формы и высокого разрешения формируют последовательным точечным экспонированием позитивного резиста с шагом от 5 до 30 нм с увеличением средней скорости экспонирования до 10 раз.

Изобретение относится к электротехнике, медицине, химической промышленности, нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении транзисторов, суперконденсаторов, сенсорных дисплеев, биосенсоров, присадок к полимерам и нанокомпозитов.

Изобретение относится к способу получения стабильной дисперсии геля поливинилового спирта в виде порошка, стабилизированной гидрофобизированным нанокремнеземом, устойчивой к циклам оттаивания и замерзания.

Изобретение относится к созданию новых форм наноразмерных кремнийорганических частиц, обладающих различной и регулируемой структурой ядра. Предложены новые сферические сверхразветвленные полиалкоксиметилсилсесквиоксаны общей формулы {[(AlkO)2Si(Me)O1/2-]a[-(AlkO)Si(Me)O-]b[MeSiO1,5]c}n, где сумма a, b и с равна 1, при этом значения а, b и с не равны нулю, а значение n находится в пределах от 10 до 10000, Alk означает углеводородный радикал С2-С4, и способ их получения.

Изобретение может быть использовано в неорганической химии, биологии и медицине. Способ изготовления коллоидного раствора серебра включает пропускание импульсных электрических разрядов между серебряными электродами в жидкости и получение коллоидного раствора с заданной концентрацией наночастиц металла.

Предложено применение конъюгата глицина, иммобилизованного на частицах детонационного наноалмаза размером 2-10 нм, в качестве антиалкогольного средства для лечения и профилактики алкоголизма.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул ауксинов. Указанный способ характеризуется тем, что ауксин добавляют в суспензию каррагинана в бутаноле в присутствии сложного эфира глицерина с одной-двумя молекулами пищевых жирных кислот и одной-двумя молекулами лимонной кислоты при перемешивании, затем приливают 1,2-дихлорэтан, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат при комнатной температуре, при этом соотношение ядро/оболочка в нанокапсулах составляет 1:1 или 5:1.

Изобретение относится к области инкапсуляции. Описан способ получения нанокапсул гиббереллиновой кислоты.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул антибиотиков в агар-агаре. Указанный способ характеризуется тем, что в суспензию агар-агара в гексане и сложного эфира глицерина с одной-двумя молекулами пищевых жирных кислот и одной-двумя молекулами лимонной кислоты добавляют порошок антибиотика, затем по каплям приливают бензол, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул кверцетина или дигидрокверцетина в геллановой камеди. Указанный способ характеризуется тем, что кверцетин или дигидрокверцетин добавляют в суспензию геллановой камеди в гексане в присутствии сложного эфира глицерина с одной-двумя молекулами пищевых жирных кислот и одной-двумя молекулами лимонной кислоты, далее приливают бутилхлорид, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат, при этом соотношение ядро/оболочка в нанокапсулах составляет 1:3.
Изобретение относится к синтезу гептатанталатов европия EuTa7O19 или тербия TbTa7O19, которые могут быть использованы в качестве рентгеноконтрастных веществ, люминофоров, покрытий рентгеновских экранов, оптоматериалов, материалов для электроники. Для получения нанодисперсных танталатов редкоземельных элементов готовят прекурсор, содержащий соединения тантала и редкоземельного элемента - европия или тербия, и проводят его термообработку. Для приготовления прекурсора используют экстракты, содержащие указанные элементы в органических растворителях, которые смешивают в мольном отношении тантала к европию или тербию, равном 7:1. Для приготовления экстракта тантала его экстрагируют бензольным раствором сульфата триалкилбензиламмония из сульфатооксалатного водного раствора тантала. Для приготовления экстрактов европия или тербия их экстрагируют бензольным раствором, содержащим ацетилацетон и фенантролин, из нитратных водных растворов европия или тербия. Термообработку прекурсора проводят при температуре 880-900°C. Изобретение позволяет сократить длительность термообработки, снизить ее температуру и получить наноразмерные танталаты редкоземельных элементов с размером частиц 50-100 нм без дополнительной стадии измельчения. 5 з.п. ф-лы, 6 пр.
Наверх