CN101286384B - 电磁屏蔽线缆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电磁屏蔽线缆，包括至少一个缆芯、包覆在缆芯外的至少一个绝缘介质层、至少一个电磁屏蔽层和外护套，其中，电磁屏蔽层为碳纳米管薄膜结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种线缆，尤其涉及具有电磁屏蔽功能的线缆。
背景技术
电磁屏蔽(Electro Magnetic Interference，EMI)线缆是电子产业里较为常用的信号传输线材。传统的线缆内部设置有两个导体，内导体用以传输电信号，外导体用以屏蔽传输的电信号并且将其封闭在内部，从而使线缆具有高频损耗低、屏蔽及抗干扰能力强、使用频带宽等特性。一般情况下，电磁屏蔽线缆从内至外的结构依次为形成内导体的缆芯、包覆在缆芯外表面的绝缘介质层、形成外导体的屏蔽层和外护套。其中，缆芯用来传输电信号，材料以铜或铜锌合金为主。屏蔽层通常由多股金属线编织或用金属薄膜卷覆在绝缘介质层外形成，用以屏蔽电磁干扰或无用外部信号干扰。
随着科技的发展，微米级尺寸的电磁屏蔽线缆更广泛应用在IT产品、医学仪器、空间设备中。但是，在微米级尺寸的电磁屏蔽线缆的制造中，因线缆尺寸较小，采用金属层和金属线纺织层作为屏蔽层不利于线缆的制造。
综上所述，确有必要提供一种电磁屏蔽线缆，该线缆内部设置的屏蔽层具有良好的电磁屏蔽性能且易于制造。
发明内容
下面将以实施例说明一种电磁屏蔽线缆，其具有良好的电磁屏蔽效果并且易于制造。
一种电磁屏蔽线缆，包括至少一个缆芯、包覆在缆芯外的至少一个绝缘介质层、至少一个电磁屏蔽层和外护套，其中，电磁屏蔽层为碳纳米管薄膜结构。
本发明采用碳纳米管薄膜结构作为电磁屏蔽层，因碳纳米管具有良好的导电性能从而使电磁屏蔽层具有较强的屏蔽效果，同时，碳纳米管薄膜具有较小尺寸从而使电磁屏蔽线缆更易于制造。
附图说明
图1是本发明第一实施例的电磁屏蔽线缆的截面结构示意图。
图2是本发明第二实施例的电磁屏蔽线缆的截面结构示意图。
图3是本发明第三实施例的电磁屏蔽线缆的截面结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明实施例电磁屏蔽线缆的结构及其制造方法。
本发明电磁屏蔽线缆包括至少一缆芯、包覆在缆芯外的至少一绝缘介质层、至少一电磁屏蔽层和外护套。
请参考图1，本发明第一实施例的电磁屏蔽线缆10为电磁屏蔽同轴线缆，包括一个缆芯110、包覆在缆芯110外的绝缘介质层120、包覆在绝缘介质层120外的屏蔽层130和包覆在屏蔽层130外的外护套140。其中，缆芯110、绝缘介质层120、屏蔽层130和外护套140同轴设置。
缆芯110可以由一个单独的导电芯构成，也可以由多个导电丝相互缠绕形成，附图中仅显示一单独的导电芯。导电芯或导电丝均由导电材料制成，可以选用导电金属材料、导电金属合金材料、碳纳米管线或含碳纳米管的复合导电材料。其中，导电金属材料优选铜或铝。导电金属合金材料优选铜锌合金或铜银合金，其中，铜锌合金中铜的质量百分比约为70％，锌的质量百分比约为30％；铜银合金中铜的质量百分比约为10％～40％，银的质量百分比约为60％～90％。碳纳米管线为多个碳纳米管间通过范德华力首尾相连从而形成预定长度的碳纳米管束。碳纳米管复合导电材料由碳纳米管和含导电金属的材料组成。优选地，碳纳米管复合导电材料由碳纳米管和含铜材料制成，含铜材料优选铜、铜锌合金或铜银合金。当碳纳米管复合材料由铜和碳纳米管组成时，碳纳米管在铜材料中的重量百分比约为0.01％～2％；当碳纳米管复合材料由铜锌合金和碳纳米管组成时，铜锌合金中铜的重量百分比约为70％，锌的重量百分比约为30％，碳纳米管在铜锌合金中的重量百分比约为0.01％～2％；当碳纳米管复材料合由铜银合金和碳纳米管组成，合金中铜的重量百分比约为10％～40％，银的重量百分比约为60％～90％，碳纳米管在铜银合金中的重量百分比约为0.01％～2％。
绝缘介质层120用于电气绝缘，可以选用聚四氟乙烯或纳米粘土-高分子复合材料。纳米粘土-高分子复合材料中纳米粘土是纳米级层状结构的硅酸盐矿物，是由多种水合硅酸盐和一定量的氧化铝、碱金属氧化物及碱土金属氧化物组成，具耐火阻燃等优良特性，如纳米高岭土或纳米蒙脱土。高分子材料可以选用硅树脂、聚酰胺、聚烯烃如聚乙烯或聚丙烯等，但并不以此为限。本实施例优选纳米蒙脱土-聚乙烯复合材料，其具有良好的电气绝缘、耐火阻燃、低烟无卤等特性，不仅可以为缆芯提供有效的电气绝缘，保护缆芯，同时还能满足环保的要求。
屏蔽层130为碳纳米管薄膜结构，可为有序薄膜结构也可为无序薄膜结构。
有序的碳纳米管薄膜结构可为单层的碳纳米管薄膜或至少两层重叠且交叉设置的碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管束，该多层碳纳米管薄膜结构进一步包括由多个碳纳米管束交叉形成的微孔。结构中的微孔结构与碳纳米管薄膜的层数有关，当层数越多时，所形成的微孔结构的孔径越小。该有序的碳纳米管薄膜的制备方法包括以下步骤：
步骤一，提供一碳纳米管阵列，优选地，该阵列为超顺排碳纳米管阵列。
本实施例中，超顺排碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括：(a)提供一平整基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施例优选为采用4英寸的硅基底；(b)在基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一；(c)将上述形成有催化剂层的基底在700～900℃的空气中退火约30分钟～90分钟；(d)将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500～740℃，然后通入碳源气体反应约5～30分钟，生长得到超顺排碳纳米管阵列，其高度为200～400微米。该超顺排碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。
本实施例中碳源气可选用乙炔等化学性质较活泼的碳氢化合物，保护气体可选用氮气、氨气或惰性气体。
步骤二，采用一拉伸工具从碳纳米管阵列中拉取获得一第一碳纳米管薄膜。其具体包括以下步骤：(a)从上述碳纳米管阵列中选定一定宽度的多个碳纳米管片断，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带接触碳纳米管阵列以选定一定宽度的多个碳纳米管片断；(b)以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列生长方向拉伸该多个碳纳米管片断，以形成一连续的第一碳纳米管薄膜。
在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片断在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管片断分别与其他碳纳米管片断首尾相连地连续地被拉出，从而形成一碳纳米管薄膜。该碳纳米管薄膜为定向排列的多个碳纳米管束首尾相连形成的具有一定宽度的碳纳米管薄膜。该碳纳米管薄膜中碳纳米管的排列方向基本平行于碳纳米管薄膜的拉伸方向。
本实施例中，该第一碳纳米管薄膜的宽度与碳纳米管阵列所生长的基底的尺寸有关，该第一碳纳米管薄膜的长度不限，可根据实际需求制得。本实施例中采用4英寸的基底生长超顺排碳纳米管阵列，该第一碳纳米管薄膜的宽度可为1cm～10cm，该第一碳纳米管薄膜的厚度为0.01～100微米。
步骤三，提供一固定框架，将上述第一碳纳米管薄膜沿第一方向粘附于固定框架，并去除固定框架外的多余的碳纳米管薄膜。
本实施例中，该固定框架为一方形的金属框架，用于固定碳纳米管薄膜，其材质不限。该固定框架的大小可依据实际需求确定，当固定框架的宽度大于上述第一碳纳米管薄膜的宽度时，可将多个上述第一碳纳米管薄膜并排覆盖并粘附在固定框架上。
由于本实施例步骤一中提供的超顺排碳纳米管阵列中的碳纳米管非常纯净，且由于碳纳米管本身的比表面积非常大，所以该第一碳纳米管薄膜本身具有较强的粘性。步骤三中该第一碳纳米管薄膜可利用其本身的粘性直接粘附于固定框架，使该第一碳纳米管薄膜的四周通过固定框架固定，该第一碳纳米管薄膜的中间部分悬空。
步骤四，按照与步骤二相同的方法获得一第二碳纳米管薄膜，将该第二碳纳米管薄膜沿第二方向粘附于上述固定框架，并覆盖上述第一碳纳米管薄膜形成两层的碳纳米管薄膜结构。
该第一碳纳米管薄膜和第二碳纳米管薄膜之间由于范德华力紧密连接形成稳定的两层碳纳米管薄膜结构。且，该第二方向与第一方向之间形成一夹角α，0°<α≤90°，优选地，相邻的薄膜之间的夹角α为90°。
进一步地，本实施例可类似地将一具有与上述碳纳米管薄膜相同结构的第三碳纳米管薄膜或更多层的碳纳米管薄膜依次覆盖于上述第二碳纳米管薄膜，进而形成多层的碳纳米管薄膜结构。该碳纳米管薄膜结构的层数不限，具体可依据实际需求制备。
可选择地，进一步包括步骤五，使用有机溶剂处理上述多层碳纳米管薄膜。
可通过试管将有机溶剂滴落在碳纳米管薄膜表面浸润整个碳纳米管薄膜，或者，也可将上述形成有碳纳米管薄膜的固定框架整个浸入盛有有机溶剂的容器中浸润。该有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中采用乙醇。该多层碳纳米管薄膜经有机溶剂浸润处理后，在挥发性有机溶剂的表面张力的作用下，碳纳米管薄膜中的平行的碳纳米管片断会部分聚集成碳纳米管束。
无序碳纳米管薄膜结构为碳纳米管无序凝结结构自组装，其制备方法包括以下步骤：
步骤一，配制一定浓度的纳米颗粒悬浊液；
其中，纳米颗粒悬浊液包括有机溶剂和分散在有机溶剂内的纳米颗粒。有机溶剂为在纯水中有一定的溶解度或与纯水互溶、密度比纯水小、与纳米颗粒浸润的液体，例如，乙醇、丙酮、甲醇、异丙醇、乙酸乙酯等。纳米颗粒为与水不浸润的纳米材料，优选为碳纳米管或碳黑，碳纳米管可以为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。纳米颗粒的长度优选为几微米至几十微米。该纳米颗粒悬浊液的配制过程为：将一定量的纳米颗粒放入有机溶剂中；超声分散至少5分钟即得到纳米颗粒均匀分散的纳米颗粒悬浊液。
步骤二，将纳米颗粒悬浊液滴入表面张力大、比纳米颗粒比重大、且与纳米颗粒不浸润的液体，在液体表面形成一层纳米颗粒薄膜。
其中，比纳米颗粒比重大且与纳米颗粒不浸润的液体优选超纯水或者盐的超纯水溶液。
在上述步骤中，通过改变纳米颗粒悬浊液的浓度，可以控制形成的纳米薄膜的厚度。如，当纳米颗粒悬浊液中纳米颗粒的质量百分比浓度为0.1％～1％时，可以得到厚度为几十纳米的纳米薄膜；当纳米颗粒悬浊液中纳米颗粒的质量百分比浓度为1％～10％时，可以得到厚度为几百纳米至几微米的纳米薄膜。可以理解，上述制备得到的有序或无序碳纳米管薄膜结构可直接覆盖或缠绕在绝缘介质层表面作为电磁屏蔽层，绝缘介质层和碳纳米管薄膜结构间通过范德化力粘结。
外护套140由绝缘材料制成，可以选用纳米粘土-高分子材料的复合材料，其中纳米粘土可以为纳米高岭土或纳米蒙脱土，高分子材料可以为硅树脂、聚酰胺、聚烯烃如聚乙烯或聚丙烯等，但并不以此为限。本施例优选纳米蒙脱土-聚乙烯复合材料，其具有良好的机械性能、耐火阻燃性能、低烟无卤性能，不仅可以为线缆提供保护，有效抵御机械、物理或化学等外来损伤，同时还能满足环境保护的要求。
请参阅图2，本发明第二实施例揭示的电磁屏蔽线缆20包括多个缆芯210(图2中共显示七个缆芯)、每一缆芯210外覆盖一个绝缘介质层220、包覆在多个缆芯210外的一个屏蔽层230和一个包覆在屏蔽层230外表面的外护套240。屏蔽层230和绝缘介质层220的间隙内可填充绝缘材料。其中，每个缆芯210及绝缘介质层220、屏蔽层230和外护套240的构成、材料及屏蔽层230内碳纳米管薄膜的制备方法与第一实施例中的缆芯110、绝缘介质层120、屏蔽层130和外护套140的构成、材料及屏蔽层130内的碳纳米管薄膜的制备方法基本相同。
请参阅图3，本发明第三实施例揭示的电磁屏蔽线缆30包括多个缆芯310(图中共显示五个缆芯)、每一缆芯310外覆盖一个绝缘介质层320和一个屏蔽层330、以及包覆在多个缆芯310外表面的外护套340。屏蔽层330的作用在于对各个缆芯310进行单独的屏蔽，这样不仅可以防止外来因素对缆芯310内部传输的电信号造成干扰而且可以防止各缆芯310内传输的不同电信号间相互发生干扰。其中，每个缆芯310、绝缘介质层320、屏蔽层330和外护套340的构成、材料及屏蔽层330的制备方法与第一实施例中的缆芯110、绝缘介质层120、屏蔽层130和外护套140的构成、材料及屏蔽层130的制备方法基本相同。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (7)
1.一种电磁屏蔽线缆，包括至少一个缆芯、包覆在缆芯外的至少一个绝缘介质层、至少一个电磁屏蔽层和外护套，其特征在于，电磁屏蔽层为碳纳米管薄膜结构，该碳纳米管薄膜结构仅包括多个碳纳米管。
2.如权利要求1所述的电磁屏蔽线缆，其特征在于，所述的碳纳米管薄膜结构为碳纳米管有序薄膜结构，包括至少两层重叠且交叉设置的碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管束。
3.如权利要求1所述的电磁屏蔽线缆，其特征在于，所述的碳纳米管薄膜结构为无序的薄膜结构。
4.如权利要求1所述的电磁屏蔽线缆，其特征在于，所述的碳纳米管薄膜结构为单层的碳纳米管有序结构。
5.如权利要求2、3或4所述的电磁屏蔽线缆，其特征在于，所述的电磁屏蔽线缆为同轴线缆，包括由内至外同轴依次设置的一个缆芯、包覆缆芯外表面的一个绝缘介质层、包覆绝缘介质层外表面的一个电磁屏蔽层和包覆电磁屏蔽层外表面的一个外护套。
6.如权利要求2、3或4所述的电磁屏蔽线缆，其特征在于，所述的电磁屏蔽线缆包括多个缆芯、多个分别包覆在每一个缆芯外的绝缘介质层、包覆绝缘介质层的一个电磁屏蔽层和包覆在电磁屏蔽层外表面的一个外护套。
7.如权利要求2、3或4所述的电磁屏蔽线缆，其特征在于，所述的电磁屏蔽线缆包括多个缆芯、多个分别包覆在每一个缆芯外的绝缘介质层、多个分别包覆在每一个绝缘介质层外的电磁屏蔽层和包覆在电磁屏蔽层外的一个外护套。
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