En vanlig kolförening möjliggör anmärkningsvärda prestandaförbättringar när den blandas i precis rätt proportion med koppar för att göra elektriska ledningar. Det är ett fenomen som trotsar konventionell visdom om hur metaller leder elektricitet.
Resultaten, rapporterade i tidskriften Materials &Design , skulle kunna leda till effektivare eldistribution till hem och företag, samt effektivare motorer för att driva elfordon och industriell utrustning. Teamet har ansökt om ett patent för arbetet, som stöddes av Department of Energy (DOE) Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office.
Materialforskaren Keerti Kappagantula och hennes kollegor vid DOE:s Pacific Northwest National Laboratory upptäckte att grafen, enkla lager av samma grafit som finns i pennor, kan förstärka en viktig egenskap hos metaller som kallas motståndskraftens temperaturkoefficient.
Den här egenskapen förklarar varför metalltrådar blir varma när en elektrisk ström går genom dem. Forskare vill minska detta motstånd samtidigt som de förbättrar en metalls förmåga att leda elektricitet. I flera år har de frågat om metallledningsförmågan kan ökas, särskilt vid höga temperaturer, genom att tillsätta andra material till den. Och om ja, kan dessa kompositer vara lönsamma i kommersiell skala?
Nu har de visat att de kan göra just det, med hjälp av en PNNL-patenterad avancerad tillverkningsplattform som heter ShAPE.
När forskargruppen tillsatte 18 delar per miljon grafen till koppar av elektrisk kvalitet, minskade motståndstemperaturen med 11 procent utan att den elektriska ledningsförmågan minskade vid rumstemperatur. Detta är relevant för tillverkning av elfordonsmotorer, där en 11-procentig ökning av den elektriska ledningsförmågan hos koppartrådslindningar översätts till en 1-procentig ökning av motoreffektiviteten.
"Denna upptäckt strider mot vad som är allmänt känt om beteendet hos metaller som ledare," sa Kappagantula. "Vanligtvis ökar införandet av tillsatser i en metall dess temperaturkoefficient för motstånd, vilket innebär att de värms upp snabbare vid samma nuvarande nivåer jämfört med rena metaller. Vi beskriver en ny och spännande egenskap hos denna metallkomposit där vi observerar förbättrad konduktivitet i en tillverkad koppartråd."
Tidigare har forskargruppen utfört detaljerade strukturella och fysikbaserade beräkningsstudier för att förklara fenomenet att förbättra den elektriska ledningsförmågan hos metaller med hjälp av grafen.
I den här studien visade de att den fastfas-bearbetning som används för att extrudera komposittråden leder till en enhetlig, nästan porfri mikrostruktur avbruten med små flingor och kluster av grafen som kan vara ansvariga för att kompositens motståndskoefficient minskar.
"Vi visade att flingor och kluster båda måste finnas för att göra bättre ledare för högtemperaturoperationer," sa Kappagantula.
Medförfattarna Bharat Gwalani, Xiao Li och Aditya Nittala drog fördel av en PNNL-designad testbädd som mäter elektriska egenskaper med hög precision och noggrannhet för att validera den förbättrade konduktiviteten, vilket återspeglas i teamets detaljerade experimentella analys. Li och Md. Reza-E-Rabby utvecklade verktygs- och processhöljena för den fastfasfriktionsextruderingsprocessen som ledde till patentet.
När de tillämpas på alla industriella tillämpningar kommer de nya koppar-grafenkomposittrådarna att ge stor designflexibilitet, enligt forskargruppen.
"Var som helst där det finns elektricitet har vi ett användningsfall," sa Kappagantula.
Till exempel används lindade koppartrådsformer i kärnan av elektriska motorer och generatorer. Motorer idag är konstruerade för att fungera inom ett begränsat temperaturområde eftersom när de blir för varma sjunker den elektriska ledningsförmågan dramatiskt. Med den nya koppar-grafenkompositen skulle motorer potentiellt kunna köras vid högre temperaturer utan att förlora konduktivitet.
Likaså är ledningarna som för elektricitet från transmissionsledningar in i hem och företag vanligtvis gjorda av koppar. När befolkningstätheten i städerna ökar följer efterfrågan på kraft efter. En komposittråd som är mer ledande kan potentiellt hjälpa till att möta den efterfrågan med effektivitetsbesparingar.
"Denna teknik är en vacker lösning för kopparledningar i stadsmiljöer med hög täthet," tillade Kappagantula.
Forskargruppen fortsätter sitt arbete med att anpassa koppar-grafenmaterialet och mäta andra väsentliga egenskaper, såsom styrka, utmattning, korrosion och slitstyrka, som är avgörande för att kvalificera sådana material för industriella applikationer. För dessa experiment tillverkar forskargruppen ledningar som är ungefär lika tjocka som en amerikansk penny (1,5 millimeter).
Mer information: Bharat Gwalani et al, Oöverträffad elektrisk prestanda hos friktionsextruderade koppar-grafenkompositer, Material &Design (2023). DOI:10.1016/j.matdes.2023.112555
Tillhandahålls av Pacific Northwest National Laboratory
