一种常见的碳化合物与铜以适当的比例混合来制造电线时，可以显着提高性能。这种现象违背了金属导电方式的传统观念。该研究结果于 2023 年 12 月发表在《材料与设计》杂志上，可能会提高家庭和企业的电力分配效率，并带来更高效的电机来为电动汽车和工业设备提供动力。该团队已为这项工作申请了专利，并得到了(DOE)先进材料和制造技术办公室的支持。
太平洋西北国家实验室的材料科学家 Keerti Kappagantula和她的同事发现，石墨烯(与铅笔中发现的石墨相同的单层石墨烯)可以增强金属的一种重要特性，即电阻温度系数。这一特性解释了为什么金属线在电流通过时会变热。研究人员希望降低这种电阻，同时增强金属的导电能力。多年来，他们一直在询问是否可以通过添加其他材料来提高金属的导电性，尤其是在高温下。如果是的话，这些复合材料可以在商业规模上可行吗?
现在，他们已经证明可以使用PNNL 获得专利的名为 ShAPE™ 的先进制造平台做到这一点。当研究小组在电工级铜中添加百万分之十八的石墨烯时，电阻温度系数降低了 11%，而室温下的电导率却没有降低。这与电动汽车电机的制造相关，其中铜线绕组的电导率提高 11%，电机效率提高 1%。
“这一发现与人们对金属导体行为的普遍认知背道而驰，”卡帕甘图拉说。“通常，在金属中引入添加剂会增加其电阻温度系数，这意味着与纯金属相比，它们在相同的电流水平下加热得更快。我们正在描述这种金属复合材料的一个令人兴奋的新特性，我们观察到制造的铜线具有增强的导电性。”
微观结构是石墨烯增强的关键
此前，研究小组进行了详细的结构和基于物理的计算研究，以解释使用石墨烯增强金属导电性的现象。
在这项研究中，他们表明，用于挤出复合线材的固相加工会产生均匀、近乎无孔的微观结构，其中点缀着微小的石墨烯薄片和簇，这可能是降低复合材料电阻系数的原因。
卡帕甘图拉说：“我们表明，薄片和团簇必须同时存在，才能成为高温操作中更好的导体。”
合著者 Bharat Gwalani、Xiao Li 和 Aditya Nittala 利用 PNNL 设计的测试台来高精度测量电气特性，以验证改进的电导率，正如该团队的详细实验分析所反映的那样。Li 和 Reza-E-Rabby 博士为固相摩擦挤出工艺开发了工具和工艺包络，并获得了该专利。
为城市建筑提供更高效的铜电机和布线
研究团队表示，当应用于任何工业应用时，新型铜-石墨烯复合线将提供极大的设计灵活性。
“任何有电的地方，我们都有一个用例，”卡帕甘图拉说。
例如，卷绕铜线用于电动机和发电机的核心。如今的电机被设计为在有限的温度范围内运行，因为当它们变得太热时，电导率会急剧下降。借助新型铜-石墨烯复合材料，电机有可能在更高的温度下运行而不会失去导电性。
同样，将电力从输电线路输送到家庭和企业的布线通常由铜制成。随着城市人口密度的增加，对电力的需求也随之增加。导电性更强的复合线可能有助于满足这一需求并提高效率。
“这项技术是度城市环境中铜布线的完美解决方案，”Kappagantula 补充道。
研究团队继续致力于定制铜-石墨烯材料并测量其他基本性能，例如强度、疲劳、腐蚀和耐磨性，所有这些对于使此类材料适合工业应用至关重要。在这些实验中，研究团队正在制造厚度约为一美分(1.5 毫米)的电线。
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