Een gewone koolstofverbinding maakt opmerkelijke prestatieverbeteringen mogelijk wanneer deze in precies de juiste verhouding wordt gemengd met koper om elektrische draden te maken. Het is een fenomeen dat in strijd is met de conventionele kennis over hoe metalen elektriciteit geleiden.

De bevindingen zijn gerapporteerd in het tijdschrift Materials &Design , zou kunnen leiden tot een efficiëntere elektriciteitsdistributie naar woningen en bedrijven, maar ook tot efficiëntere motoren voor het aandrijven van elektrische voertuigen en industriële apparatuur. Het team heeft een patent aangevraagd voor het werk, dat werd ondersteund door het Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office van het Department of Energy (DOE).

Materiaalwetenschapper Keerti Kappagantula en haar collega's van het Pacific Northwest National Laboratory van DOE ontdekten dat grafeen, enkele lagen van hetzelfde grafiet dat in potloden wordt aangetroffen, een belangrijke eigenschap van metalen, de temperatuurweerstandscoëfficiënt, kan verbeteren.

Deze eigenschap verklaart waarom metalen draden heet worden als er elektrische stroom doorheen loopt. Onderzoekers willen deze weerstand verminderen en tegelijkertijd het vermogen van een metaal om elektriciteit te geleiden vergroten. Al enkele jaren vragen ze zich af of de geleidbaarheid van metaal kan worden verhoogd, vooral bij hoge temperaturen, door er andere materialen aan toe te voegen. En zo ja, kunnen deze composieten dan op commerciële schaal levensvatbaar zijn?

Nu hebben ze aangetoond dat ze precies dat kunnen doen, met behulp van een door PNNL gepatenteerd geavanceerd productieplatform genaamd ShAPE.

Toen het onderzoeksteam 18 delen per miljoen grafeen aan elektrisch koper toevoegde, daalde de temperatuurcoëfficiënt van de weerstand met 11 procent zonder de elektrische geleidbaarheid bij kamertemperatuur te verminderen. Dit is relevant voor de productie van motoren voor elektrische voertuigen, waar een toename van 11 procent in de elektrische geleidbaarheid van koperdraadwikkelingen zich vertaalt in een winst van 1 procent in motorefficiëntie.

"Deze ontdekking druist in tegen wat algemeen bekend is over het gedrag van metalen als geleiders", zegt Kappagantula. "Normaal gesproken verhoogt het introduceren van additieven in een metaal de weerstandstemperatuurcoëfficiënt, wat betekent dat ze sneller opwarmen bij dezelfde huidige niveaus vergeleken met zuivere metalen. We beschrijven een nieuwe en opwindende eigenschap van dit metaalcomposiet waarbij we een verbeterde geleidbaarheid waarnemen in een vervaardigd koperdraad."

Microstructuur is de sleutel tot grafeenverbetering

Eerder voerde het onderzoeksteam gedetailleerde structurele en natuurkundige computerstudies uit om het fenomeen van het verbeteren van de elektrische geleidbaarheid van metalen met behulp van grafeen te verklaren.

In deze studie toonden ze aan dat de vaste-fase-verwerking die werd gebruikt om de composietdraad te extruderen, leidt tot een uniforme, vrijwel poriënvrije microstructuur, onderbroken door kleine vlokken en clusters van grafeen die mogelijk verantwoordelijk zijn voor de afnemende weerstandscoëfficiënt van het composiet. /P>

"We hebben aangetoond dat zowel vlokken als clusters aanwezig moeten zijn om betere geleiders te maken voor operaties bij hoge temperaturen", aldus Kappagantula.

Co-auteurs Bharat Gwalani, Xiao Li en Aditya Nittala maakten gebruik van een door PNNL ontworpen testbed dat elektrische eigenschappen met hoge precisie en nauwkeurigheid meet om de verbeterde geleidbaarheid te valideren, zoals weerspiegeld in de gedetailleerde experimentele analyse van het team. Li en Md. Reza-E-Rabby ontwikkelden de gereedschaps- en procesenveloppen voor het vaste-fase wrijvingsextrusieproces dat tot het patent leidde.

Naar efficiëntere kopermotoren en bedrading voor stedelijke gebouwen

Wanneer ze worden toegepast op welke industriële toepassing dan ook, zullen de nieuwe koper-grafeencomposietdraden volgens het onderzoeksteam een ​​grote ontwerpflexibiliteit bieden.

"Overal waar elektriciteit is, hebben we een gebruiksscenario", zei Kappagantula.

Opgerolde koperdraadvormen worden bijvoorbeeld gebruikt in de kern van elektromotoren en generatoren. Tegenwoordig zijn motoren ontworpen om binnen een beperkt temperatuurbereik te werken, omdat als ze te heet worden, de elektrische geleidbaarheid dramatisch daalt. Met het nieuwe koper-grafeencomposiet kunnen motoren mogelijk bij hogere temperaturen worden gebruikt zonder verlies van geleidingsvermogen.

Op dezelfde manier is de bedrading die elektriciteit van transmissielijnen naar huizen en bedrijven brengt, doorgaans gemaakt van koper. Naarmate de bevolkingsdichtheid van steden toeneemt, volgt de vraag naar macht dit voorbeeld. Een composietdraad die beter geleidt, zou mogelijk aan die vraag kunnen voldoen met efficiëntiebesparingen.

"Deze technologie is een prachtige oplossing voor koperbedrading in stedelijke omgevingen met hoge dichtheid", aldus Kappagantula.

Het onderzoeksteam zet zijn werk voort om het koper-grafeenmateriaal aan te passen en andere essentiële eigenschappen te meten, zoals sterkte, vermoeidheid, corrosie en slijtvastheid, die cruciaal zijn om dergelijke materialen te kwalificeren voor industriële toepassingen. Voor deze experimenten vervaardigt het onderzoeksteam draden met de dikte van een Amerikaanse cent (1,5 millimeter).

Meer informatie: Bharat Gwalani et al, Ongekende elektrische prestaties van door wrijving geëxtrudeerde koper-grafeencomposieten, Materialen en ontwerp (2023). DOI:10.1016/j.matdes.2023.112555

Geleverd door Pacific Northwest National Laboratory