ГРАФЕНОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРОВОД И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
GRAPHENE ELECTRICAL CONDUCTOR AND METHOD OF ITS FABRICATION (VERSIONS)

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.
3
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/см) 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.
4
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, NaBH 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.
4
4
3
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 (SiCl, TiCl, POCl 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».