Forskare vid Oak Ridge National Laboratory använde nya tekniker för att skapa en komposit som ökar den elektriska strömkapaciteten hos koppartrådar, tillhandahålla ett nytt material som kan skalas för användning i ultraeffektiva, krafttäta dragmotorer för elfordon.

Forskningen syftar till att minska hindren för bredare användning av elfordon, inklusive att minska ägandekostnaderna och förbättra prestanda och livslängd för komponenter som elmotorer och kraftelektronik. Materialet kan användas i vilken komponent som helst som använder koppar, inklusive effektivare samlingsskenor och mindre kopplingar för dragkraftsomriktare för elfordon, samt för applikationer som trådlösa och trådbundna laddningssystem.

För att producera ett lättare ledande material med förbättrad prestanda, ORNL-forskare deponerade och riktade kolnanorör på platta kopparsubstrat, vilket resulterar i ett metallmatriskompositmaterial med bättre strömhanteringsförmåga och mekaniska egenskaper än enbart koppar.

Inkorporerar kolnanorör, eller CNT, in i en kopparmatris för att förbättra ledningsförmåga och mekanisk prestanda är ingen ny idé. CNT är ett utmärkt val på grund av sin lägre vikt, extraordinära styrka och ledande egenskaper. Men tidigare försök med kompositer av andra forskare har resulterat i mycket korta materiallängder, bara mikrometer eller millimeter, tillsammans med begränsad skalbarhet, eller i längre längder som presterade dåligt.

ORNL-teamet bestämde sig för att experimentera med att deponera enkelväggs-CNT med hjälp av elektrospinning, en kommersiellt gångbar metod som skapar fibrer som en vätskestråle hastighet genom ett elektriskt fält. Tekniken ger kontroll över strukturen och orienteringen av deponerade material, förklarade Kai Li, en postdoktor vid ORNL:s avdelning för kemiska vetenskaper. I detta fall, processen gjorde det möjligt för forskare att framgångsrikt orientera CNTs i en allmän riktning för att underlätta förbättrat flöde av elektricitet.

Teamet använde sedan magnetronförstoftning, en vakuumbeläggningsteknik, för att lägga tunna lager av kopparfilm ovanpå de CNT-belagda kopparbanden. De belagda proverna glödgades sedan i en vakuumugn för att producera ett starkt ledande Cu-CNT-nätverk genom att bilda en tät, enhetligt kopparskikt och för att tillåta diffusion av koppar in i CNT-matrisen.

Med denna metod, ORNL-forskare skapade en koppar-kol nanorörskomposit 10 centimeter lång och 4 centimeter bred, med exceptionella egenskaper. Materialets mikrostrukturella egenskaper analyserades med hjälp av instrument vid Center for Nanophase Materials Sciences vid ORNL, en användaranläggning för US Department of Energy Office of Science. Forskare fann att kompositen nådde 14 % större strömkapacitet, med upp till 20 % förbättrade mekaniska egenskaper jämfört med ren koppar, som beskrivs i ACS applicerade nanomaterial .

Tolga Aytug, ledande utredare för projektet, sa att "genom att bädda in alla de stora egenskaperna hos kolnanorör i en kopparmatris, vi siktar på bättre mekanisk styrka, lägre vikt och högre strömkapacitet. Då får du en bättre ledare med mindre effektförlust, vilket i sin tur ökar enhetens effektivitet och prestanda. Förbättrad prestanda, till exempel, innebär att vi kan minska volymen och öka effekttätheten i avancerade motorsystem."

Arbetet bygger på en rik historia av superledningsforskning vid ORNL, som har producerat överlägsna material för att leda elektricitet med lågt motstånd. Labbets supraledande trådteknologi licensierades till flera industrileverantörer, möjliggör sådana användningar som elektrisk överföring med hög kapacitet med minimala effektförluster.

Även om det nya kompositgenombrottet har direkta konsekvenser för elmotorer, det skulle också kunna förbättra elektrifieringen i applikationer där effektivitet, massa och storlek är ett nyckelmått, sa Aytug. De förbättrade prestandaegenskaperna, uppnås med kommersiellt gångbara tekniker, innebär nya möjligheter att designa avancerade ledare för ett brett utbud av elektriska system och industriella applikationer, han sa.

ORNL-teamet undersöker också användningen av dubbelväggiga CNT och andra deponeringstekniker såsom ultraljudssprutbeläggning i kombination med ett rull-till-rulle-system för att producera prover på cirka 1 meter långa.

"Elektriska motorer är i grunden en kombination av metaller - stållaminering och kopparlindningar, " noterade Burak Ozpineci, chef för ORNL Electric Drive Technologies Program och ledare för Power Electronics and Electric Machinery-gruppen. "För att uppfylla DOE:s fordonsteknikkontors 2025 elfordons mål och mål, vi måste öka den elektriska enhetens effekttäthet och minska motorvolymen med 8 gånger, och det innebär att förbättra materialegenskaper."