材料科学家小李持有高导电金属线样品,这些金属线是在专利的剪切辅助加工和挤出平台上制造的。

　　一种常见的碳化合物,当与铜混合成适当的比例时,就能显著提高性能。这是一种违背传统观念的现象,即金属是如何导电的。

　　结果, 刊登在杂志上 材料和设计 ,可使家庭和企业的电力分配效率提高,并使发电机效率提高 电动汽车 以及工业设备。该小组已申请这项工作的专利,这项专利得到了能源部先进材料和制造技术办公室的支持。

　　美国西北太平洋国家实验室的材料科学家凯尔蒂·卡帕甘杜拉和她的同事们发现,在铅笔中发现的同一石墨的单层石墨烯可以提高金属的一种重要性能,即电阻的温度系数。

　　这种特性解释了为什么当电流穿过金属导线时,金属导线会变热。研究人员希望降低这种阻力,同时提高金属的导电能力.几年来,他们一直在问是否可以通过添加其他材料来提高金属的导电性,特别是在高温下。如果是,这些复合材料在商业规模上是否可行?

　　现在,他们已经证明了他们能够做到这一点,他们使用的是一个由国家核力量授予专利的先进制造平台 形状 .

　　当研究小组在电级铜中加入每百万石墨烯18个部件时,电阻的温度系数下降了11%,但室温下的电导率却没有下降。这与电动汽车马达的制造有关,其中铜的电导率提高了11%。 电线 卷绕转化为1%的电动机效率提高.

　　"这一发现与众所周知的金属作为导体的行为背道而驰,"卡帕甘杜拉说。"一般来说,向金属中引入添加剂会增加其电阻的温度系数,这意味着它们在同一电流水平上比纯金属热得更快。我们正在描述一个新的和令人兴奋的特性 金属制品 我们观察到铜线中导电性增强的复合材料。"

　　微结构是石墨烯增强的关键

　　以前,研究小组 进行详细的结构和物理计算研究 用石墨烯解释提高金属导电性的现象。

　　在本研究中,他们指出,用于挤压复合导线的固相处理导致了一个均匀的、接近无离子的微观结构,中间有微小的片状和石墨烯团,这可能是降低复合材料电阻系数的原因。

　　"我们表明,为了使高温操作的导体更好,薄片和集群都必须存在,"卡帕甘杜拉说。

　　正如研究小组详细的实验分析所反映的那样,共同作者巴拉特·格瓦拉尼、小李和阿迪亚·尼特塔拉利用了由pnl设计的测试台,该测试台测量了高精度和精确度的电学性能,以验证改进的电导率。我和他。雷扎-e-拉比为导致专利的固相摩擦挤压过程开发了工具和工艺包。

　　为城市建筑提供更高效的铜电动机和电线

　　据研究小组说,在任何工业应用中,新的铜石墨复合线将提供很大的设计灵活性。

　　"任何有电的地方,我们都有一个用例,"卡帕甘杜拉说。

　　例如,在电动机和发电机的核心中使用线圈铜线形式。今天的电动机设计是为了在有限的温度范围内工作,因为当它们太热时, 导电性 明显下降。使用新的铜-石墨烯复合材料,电动机有可能在较高的温度下运行,而不会失去导电性。

　　同样,将电力从输电线路输送到家庭和企业的电线通常是由铜制成的。随着城市人口密度的增加,电力需求也随之增加。一个更具有导电性的复合电线可能有助于以节省效率的方式满足这一需求。

　　"这项技术是高密度城市环境下铜布线的一个很好的解决方案,"卡帕甘杜拉补充道。

　　研究小组继续努力定制铜石墨材料,并测量其他基本特性,如强度、疲劳、腐蚀和耐磨性,这对使此类材料适合工业应用至关重要。为了进行这些实验,研究小组制造了大约1美分(1.5毫米)的电线。