Sähköistävä parannus kuparin johtavuuteen

Pacific Northwest National Laboratoryn tutkijaryhmän mukaan yleinen hiiliyhdiste parantaa johtimien suorituskykyä, kun se sekoitetaan juuri oikeassa suhteessa kuparin kanssa.

Tämä tutkijoiden löytämä ilmiö uhmaa tavanomaista viisautta siitä, kuinka metallit johtavat sähköä.

Löydökset voivat johtaa tehokkaampaan sähkön jakeluun koteihin ja yrityksiin sekä tehokkaampiin moottoreihin sähköajoneuvojen ja teollisuuslaitteiden tehostamiseksi.

Materiaalitieteilijä Keerti Kappagantula ja hänen kollegansa havaitsivat, että grafeeni voi parantaa metallien tärkeää ominaisuutta, jota kutsutaan lämpötilaresistanssin kertoimeksi (TCR).

Tutkijat haluavat vähentää tätä vastusta ja samalla parantaa metallin kykyä johtaa sähköä. On pitkään kysytty, voidaanko metallin johtavuutta lisätä erityisesti korkeissa lämpötiloissa lisäämällä siihen muita materiaaleja. Ja jos kyllä, voivatko nämä komposiitit olla elinkelpoisia kaupallisessa mittakaavassa?

Nyt he ovat osoittaneet pystyvänsä tekemään juuri sen käyttämällä PNNL-patentoitua edistynyttä valmistusalustaa nimeltä ShAPE. Kun tutkimusryhmä lisäsi 18 miljoonasosaa grafeenia sähkölaatuiseen kupariin, lämpötilavastuskerroin laski 11 prosenttia ilman, että sähkönjohtavuus heikkeni huoneenlämpötilassa.

Tämä on olennaista sähköajoneuvojen moottoreiden valmistuksessa, jossa kuparilankakäämin sähkönjohtavuuden 11 prosentin lisäys merkitsee 1 prosentin lisäystä moottorin hyötysuhteessa.

"Tämä löytö on vastoin sitä, mitä yleisesti tiedetään metallien käyttäytymisestä johtimina", sanoo Kappagantula. "Yleensä lisäaineiden lisääminen metalliin kasvattaa sen lämpötilavastuskerrointa, mikä tarkoittaa, että ne kuumenevat nopeammin samoilla virtatasoilla kuin puhtaat metallit.

Aiemmin tutkimusryhmä suoritti yksityiskohtaisiarakenteellisia ja fysiikkaan perustuvia laskennallisia tutkimuksia selittääkseen metallien sähkönjohtavuuden parantamisen ilmiön grafeenin avulla.

Nyt tässä tutkimuksessa he osoittivat, että komposiittilangan suulakepuristamiseen käytetty kiinteän faasin käsittely johtaa tasaiseen, lähes huokosvapaaseen mikrorakenteeseen, jossa on pieniä hiutaleita ja grafeenirypäleitä, jotka voivat olla vastuussa komposiitin resistanssikertoimen pienenemisestä.

Kun uudet kupari-grafeeniset komposiittilangat soveltuvat mihin tahansa teolliseen käyttöön, ne tarjoavat tutkimusryhmän mukaan suurta suunnittelun joustavuutta.

Tutkimusryhmä jatkaa työtään kupari-grafeeni -materiaalin räätälöimiseksi ja muiden olennaisten ominaisuuksien, kuten lujuuden, väsymisen, korroosion ja kulutuskestävyyden mittaamiseksi – jotka kaikki ovat ratkaisevan tärkeitä tällaisten materiaalien hyväksymiseksi teollisiin sovelluksiin.

Aiheesta aiemmin:

Nanolankoja rakennellen

Hiilinanoputkijohtimet haastavat kuparin

Kuparipohjainen vaihtoehto kullalle