Tilføjelse af en lille mængde fast kulstof til kobber øger dets ledningsevne

En almindelig kulstofforbindelse muliggør bemærkelsesværdige præstationsforbedringer, når den blandes i den helt rigtige mængde med kobber til at lave elektriske ledninger. Det er et fænomen, der trodser konventionel visdom om, hvordan metaller leder elektricitet.

Resultaterne, rapporteret i tidsskriftet Materials &Design , kunne føre til mere effektiv eldistribution til boliger og virksomheder, samt mere effektive motorer til at drive elektriske køretøjer og industrielt udstyr. Holdet har ansøgt om et patent for arbejdet, som blev støttet af Department of Energy (DOE) Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office.

Materialeforsker Keerti Kappagantula og hendes kolleger ved DOE's Pacific Northwest National Laboratory opdagede, at grafen, enkelte lag af den samme grafit, der findes i blyanter, kan forbedre en vigtig egenskab ved metaller, kaldet modstandstemperaturkoefficienten.

Denne egenskab forklarer, hvorfor metalledninger bliver varme, når en elektrisk strøm løber gennem dem. Forskere ønsker at reducere denne modstand og samtidig forbedre et metals evne til at lede elektricitet. I flere år har de spurgt, om metalledningsevnen kan øges, især ved høje temperaturer, ved at tilføje andre materialer til det. Og hvis ja, kan disse kompositter være levedygtige i kommerciel skala?

Nu har de demonstreret, at de kan gøre netop det ved at bruge en PNNL-patenteret avanceret produktionsplatform kaldet ShAPE.

Da forskerholdet tilføjede 18 dele pr. million grafen til kobber af elektrisk kvalitet, faldt modstandstemperaturkoefficienten med 11 procent uden at reducere den elektriske ledningsevne ved stuetemperatur. Dette er relevant for fremstilling af elektriske køretøjsmotorer, hvor en stigning på 11 procent i den elektriske ledningsevne af kobbertrådsviklinger udmønter sig i en stigning på 1 procent i motoreffektivitet.

"Denne opdagelse er i modstrid med, hvad der generelt er kendt om opførsel af metaller som ledere," sagde Kappagantula. "Introduktion af additiver i et metal øger typisk dets temperaturkoefficient for modstand, hvilket betyder, at de opvarmes hurtigere ved de samme strømniveauer sammenlignet med rene metaller. Vi beskriver en ny og spændende egenskab ved denne metalkomposit, hvor vi observerer forbedret ledningsevne i en fremstillet kobbertråd."

Mikrostruktur er nøglen til grafenforbedring

Tidligere udførte forskerholdet detaljerede strukturelle og fysikbaserede beregningsundersøgelser for at forklare fænomenet med at forbedre den elektriske ledningsevne af metaller ved hjælp af grafen.

I denne undersøgelse viste de, at den fastfasebehandling, der blev brugt til at ekstrudere komposittråden, fører til en ensartet, næsten porefri mikrostruktur præget af bittesmå flager og klynger af grafen, der kan være ansvarlige for faldende modstandskoefficient for kompositten.

"Vi viste, at flager og klynger begge skal være til stede for at lave bedre ledere til højtemperaturoperationer," sagde Kappagantula.

Medforfatterne Bharat Gwalani, Xiao Li og Aditya Nittala udnyttede et PNNL-designet testbed, der måler elektriske egenskaber med høj præcision og nøjagtighed for at validere den forbedrede ledningsevne, som afspejlet i holdets detaljerede eksperimentelle analyse. Li og Md. Reza-E-Rabby udviklede værktøjs- og proceshylstrene til den fastfasefriktionsekstruderingsproces, der førte til patentet.

Mod mere effektive kobbermotorer og ledninger til bybygninger

Når de anvendes til enhver industriel anvendelse, vil de nye kobber-grafen-komposittråde give stor designfleksibilitet, ifølge forskerholdet.

"Overalt hvor der er elektricitet, har vi en brugssag," sagde Kappagantula.

For eksempel bruges spiralformede kobbertrådsformer i kernen af ​​elektriske motorer og generatorer. Motorer i dag er designet til at fungere inden for et begrænset temperaturområde, fordi når de bliver for varme, falder den elektriske ledningsevne dramatisk. Med den nye kobber-grafen-komposit kan motorer potentielt drives ved højere temperaturer uden at miste ledningsevne.

Ligeledes er ledningerne, der bringer elektricitet fra transmissionsledninger ind i boliger og virksomheder, typisk lavet af kobber. Efterhånden som byernes befolkningstæthed stiger, følger efterspørgslen efter strøm trop. En sammensat ledning, der er mere ledende, kunne potentielt hjælpe med at imødekomme denne efterspørgsel med effektivitetsbesparelser.

"Denne teknologi er en smuk løsning til kobberledninger i bymiljøer med høj tæthed," tilføjede Kappagantula.

Forskerholdet fortsætter sit arbejde med at tilpasse kobber-grafen-materialet og måle andre væsentlige egenskaber, såsom styrke, træthed, korrosion og slidstyrke, som er afgørende for at kvalificere sådanne materialer til industrielle anvendelser. Til disse eksperimenter fremstiller forskerholdet ledninger omkring tykkelsen af ​​en amerikansk penny (1,5 millimeter).

Flere oplysninger: Bharat Gwalani et al., hidtil uset elektrisk ydeevne af friktionsekstruderede kobber-grafen-kompositter, Materials &Design (2023). DOI:10.1016/j.matdes.2023.112555

Leveret af Pacific Northwest National Laboratory