Hiilinanoputkilla tehostettu kuparijohde

Oak Ridgen National Laboratoryn (ORNL) tutkijat käyttivät uusia tekniikoita komposiittiin, joka lisää kuparijohtojen virtakapasiteettia ja tarjoaa uuden materiaalin, joka voidaan skaalata käytettäväksi sähkömoottorien ja tehoelektroniikan suorituskyvyn ja käyttöiän parantamiseksi.

Uuden materiaalin tuottaakseen ORNL-tutkijat saostivat ja kohdistivat hiilinanoputkia tasaisille kuparisubstraateille, mikä johti metallimatriisikomposiittimateriaaliin, jolla on parempi virrankäsittelykapasiteetti ja mekaaniset ominaisuudet kuin yksinomaan kuparilla.

Hiilinanoputkien (CNT) sisällyttäminen kuparimatriisiin johtokyvyn ja mekaanisen suorituskyvyn parantamiseksi ei ole uusi idea. CNT:t ovat erinomainen valinta keveyden, poikkeuksellisen lujuuden ja johtavuusominaisuuksiensa vuoksi. Mutta muiden tutkijoiden aikaisemmat yritykset ovat johtaneet hyvin lyhyisiin materiaalipituuksiin, vain mikrometreihin tai millimetreihin, rajoitettuun skaalautuvuuteen tai pidempiin, jotka toimivat huonosti.

ORNL-tiimi päätti kokeilla yksiseinäisten hiilinanoputkien saostamista kaupallisella sähkökehräämisen menetelmällä. Tässä tapauksessa prosessi antoi tutkijoille mahdollisuuden orientoida hiilinanoputket yhdensuuntaisesti helpottamaan sähkön virtausta.

Sitten käytettiin tyhjiöpäällystystekniikkaa, ohuiden kuparikalvokerrosten lisäämiseksi CNT-pinnoitettujen kuparinauhojen päälle. Lopuksi näytteet hehkutettiin tyhjöuunissa erittäin johtavan Cu-CNT-verkon tuottamiseksi muodostaan tiheä ja tasainen kuparikerros ja kuparin diffuusion mahdollistamiseksi CNT-matriisiin.

Näitä menetelmiä käyttäen ORNL-tutkijat loivat 10 cm pitkän ja 4 cm leveän kupari-hiilinanoputkikomposiitin, jolla on poikkeukselliset ominaisuudet. Komposiitti saavutti 14% suuremman virtakapasiteetin ja jopa 20% paremmat mekaaniset ominaisuudet verrattuna puhtaaseen kupariin.

Projektin johtava tutkija Tolga Aytug sanoi, että "ujuttamalla kaikki hiilinanoputkien hyvät ominaisuudet kuparimatriisiin pyrimme parantamaan mekaanista lujuutta, keventämään painoa ja suurentamaan virtakapasiteettia. Sitten saat paremman johtimen pienemmällä tehohäviöllä, mikä puolestaan lisää laitteen tehokkuutta ja suorituskykyä. Parempi suorituskyky tarkoittaa esimerkiksi sitä, että voimme vähentää tilavuutta ja lisätä tehotiheyttä edistyneissä moottorirakenteissa."

Aiheesta aiemmin: Hiilinanoputkijohtimet haastavat kuparin