Ученые из Ок-Риджской национальной лаборатории использовали новые методы для создания композита, который увеличивает пропускную способность медных проводов, создав новый материал, который можно применять для использования в сверхэффективных тяговых двигателях электромобилей.
Исследование было направлено на снижение препятствий для более широкого внедрения электромобилей, включая снижение стоимости владения и повышение производительности и срока службы таких компонентов, как электродвигатели и силовая электроника. Материал может быть использован в любом компоненте, в котором используется медь, включая более эффективные шины и меньшие соединители для тяговых инверторов электромобилей, а также для таких устройств, как беспроводные и проводные системы зарядки.
Чтобы получить более легкий проводящий материал с улучшенными характеристиками, исследователи ORNL нанесли и выровняли углеродные нанотрубки на плоских медных пластинках, в результате чего получился композитный материал с металлической матрицей с лучшей пропускной способностью и механическими свойствами, чем у чистой меди.
Включение углеродных нанотрубок или УНТ в медную матрицу для улучшения проводимости и механических характеристик не является новой идеей. УНТ — отличный выбор из-за их меньшего веса, исключительной прочности и проводящих свойств. Но прошлые попытки создания композитов другими исследователями привели к созданию очень коротких отрезков материала — всего в несколько микрометров или миллиметров.
Команда ученых использовала магнетронное распыление, технику вакуумного покрытия, чтобы добавить тонкие слои медной пленки поверх медных лент, покрытых УНТ. Затем образцы с покрытием отжигали в вакуумной печи для получения высокопроводящей сетки Cu-CNT за счет образования плотного однородного слоя меди и обеспечения диффузии меди в матрицу CNT.
Используя этот метод, ученые ORNL создали композит медь-углеродные нанотрубки длиной 10 сантиметров и шириной 4 см с исключительными свойствами. Микроструктурные свойства материала были проанализированы с использованием инструментов в Центре нанофазных материаловедения в ORNL, подведомственном учреждении Управления науки Министерства энергетики США.
Исследователи обнаружили, что композит на 14% больше пропускной способности по току, с улучшенными механическими свойствами до 20% по сравнению с чистой медью, как подробно описано в ACS Applied Nano Materials.
Толга Айтуг, ведущий исследователь проекта, сказал:
Внедряя все замечательные свойства углеродных нанотрубок в медную матрицу, мы стремимся к лучшей механической прочности, меньшему весу и большей токовой нагрузке. Тогда вы получите лучший проводник с меньшими потерями мощности, что, в свою очередь, повысит эффективность и производительность устройства. Например, улучшенная производительность означает, что мы можем уменьшить объем и увеличить удельную мощность в современных моторных системах.
Работа основана на богатой истории исследований сверхпроводимости в ORNL, которая произвела превосходные материалы для проведения электричества с низким сопротивлением. Лабораторная технология сверхпроводящих проводов была лицензирована нескольким отраслевым поставщикам, что позволяет использовать ее в таких областях, как передача электроэнергии большой емкости с минимальными потерями мощности.
Хотя новый прорыв в области композитных материалов имеет прямое значение для электродвигателей, он также может улучшить электрификацию в приборах, где эффективность, масса и размер являются ключевыми показателями, сказал Айтуг. По его словам, улучшенные рабочие характеристики, достигнутые с помощью коммерчески жизнеспособных технологий, означают новые возможности для разработки современных проводников для широкого спектра электрических систем и промышленных приложений.
Команда ORNL также изучает возможность использования двустенных УНТ и других методов осаждения, таких как нанесение покрытия ультразвуковым распылением в сочетании с системой прокатки рулонов для производства образцов длиной около 1 метра.