碳纳米管技术预示着布线领域革命的到来

白皮书

碳纳米管技术可能会带来布线领域的革命

要处理线和条带形态的 CNT,就必须改良电缆的生产工艺,以便优化吞吐量和提高产量。

布线领域的革命

碳纳米管技术 (CNT) 已经在半导体和医学等应用领域引发了广泛的关注,在 TE Connectivity (TE),我们对其重点的研究领域是高性能电力电缆。TE 一直在积极开发用于线缆领域的 CNT 应用,与大学或行业先驱展开合作,并利用原型样品进行评估。虽然 CNT 电缆在成为主流之前还有很长的路要走,但我们相信这一技术已经能够满足特定应用(如人造卫星)的需求。

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碳纳米管由单一或少量碳原子层以圆柱型结构组成。
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以高度对齐结构排列的单壁或少数壁纳米管具有最佳的电气性能。

使用 CNT 元件的电缆有可能成为颠覆性技术,主要得益于与现有材料相比的减重。在人造卫星、无人机、载人军用飞机等领域的实际应用中,这样的减重意味着相关平台能减轻几十乃至几千磅。例如:

  • 人造卫星:将人造卫星发射进入轨道的成本为每磅有效载荷 5,000 至 50,000 美元。任何形式的减重都能显著降低成本,或者得以携带更多的科研和工程设备,或装载更多机动燃料以延长任务时间。
  • 无人机:重量越轻,空中飞行时间越长。值得注意的是,大型无人机上的电缆重量约有 850 磅。使用 CNT 屏蔽件取代金属屏蔽件可减重 300 磅。全 CNT 电缆可能再减重 100 磅,使总重量从 850 磅降到 450 磅。
  • 载人飞机:减重能提高燃油效率或有效载荷,或者增大飞行范围。

 

CNT 电缆的优势不只局限于航空航天应用。减重对于地面交通工具甚至士兵穿戴设备也很重要。

单一纳米管有很高的纵横比(直径仅几纳米,而长度达几英里),因此具备卓越的纳米级性质:抗拉强度优于钢,传导率优于铜,热损耗优于金刚石,而且抗腐蚀、抗疲劳。下表列出了单一碳纳米管的典型性质。

 

机械强度CNT
杨氏模量 (TPa)0.8 到 1.40.30.7
抗拉强度 (GPa)6320.3
密度 (g/cm3)1.482.7

碳纳米管(英文版本)

碳纳米管技术

CNT 屏蔽件

CNT 通过热处理生成,制作成线形态以用于导体,制作成条带、薄板和线形态以用于屏蔽件。 

将 CNT 绞线制作成线或薄板形态以获得适合实际使用的尺寸,由此改变材料的性质。单一碳纳米管的传导率比铜高 30%,而由 CNT 网组成的线则比铜的传导率低好几个数量级。下图显示了自 2007 年以来 CNT 线传导率改良的最新进展。

CNT 通过热处理生成,制作成线形态以用于导体,制作成条带、薄板和线形态以用于屏蔽件。
CNT 传导率图表

我们正积极开发用于航空航天和人造卫星应用中 MIL-STD-1553B 和 IEEE 1394 应用的 CNT 电缆,在未来几年内,将实现产品从原型到生产的转变。最初的 IEEE 1394 电缆将使用 CNT 屏蔽,而 MIL-STD-1553B 电缆将有可能成为首例完全采用 CNT 结构的电缆。

基于 CNT 的屏蔽件不仅具备高屏蔽效果,还具有超轻量特性。在高频情况下,一个两层的 CNT 条带所提供的屏蔽效果与一个铜线编织层的效果基本相同(4 GHz 时差不多为 50 dB),但其重量还不到铜线编织层的 2%。

但是,CNT 屏蔽件具有高电阻系数,这就意味着其在频率低于 100 MHz 时的屏蔽性能差,无法提供防雷击保护。航空航天应用中常用两条编织电缆,如果使用 CNT 电缆替代其中一条,则剩下的一条可以处理低频噪声和闪电,而 CNT 屏蔽件可以提供高频情况下的屏蔽。混合屏蔽结构可以减少 25%-30% 的重量。

CNT

准备好迎接黄金时间了吗?

虽然将 CNT 材料用于电缆已经取得了一些进展,但还有另外两个问题值得一提。第一个问题是如何端接 CNT 电缆。CNT 导体与现有端子兼容并且可以借助标准压接技术进行端接,尽管会改变压接工具设置和冲模。压接机械强度的测试表明,CNT 线断掉,然后压接失败。屏蔽件可以通过钢带及其他压缩技术端接到尾附件。通过使用特种合金,条带和线也可进行焊接。

第二个问题是产品从原型到生产的转变。CNT 线、薄板和条带可以按照商业规模进行生产,但是批量生产电缆所需的超长部件还是一大难题。虽然 CNT 供应商的生产能力在快速增长,但如今的供应链通常还是需要较长的交货周期。当今很多应用(例如半导体或复合外壳)都使用以微米或毫米为计量单位的 CNT。电缆的规模与这些应用完全不同,电缆需要几十米的 CNT。

在 TE 与商业及大学合作伙伴协力改善宏观 CNT 排列的传导率的过程中,我们也制造了数英里的 CNT 导线和电缆,用于进行测试和评估。

TE 建造了一座 CNT 试验工厂,每年能够生产数百英里的导线和电缆。要处理线和条带形态的 CNT,就必须改良电缆的生产工艺,以便优化吞吐量和提高产量。TE 已开发出改良方法,可提供多种不同种类的长导线和长电缆。

作者简历

Stefanie Harvey

Stefanie Harvey 拥有材料科学博士学位,曾是 TE Connectivity 全球航空航天、防卫和船舶部门的首席科学家。她是纳米技术、表面科学、材料接触面和薄膜加工方面的专家。Stefanie 在高科技解决方案(包括半导体加工、生物技术和防卫)领域拥有超过 17 年的经验。Stefanie 自 1999 年至今还一直担任美国圣何塞州立大学生物医学、化学和材料工程专业的兼职教授。Stefanie 在 2015 年离开 TE,另谋高就。