Eine übliche Kohlenstoffverbindung ermöglicht bemerkenswerte Leistungssteigerungen, wenn sie im richtigen Verhältnis mit Kupfer zur Herstellung von Elektrodrähten gemischt wird. Es handelt sich um ein Phänomen, das der herkömmlichen Meinung darüber widerspricht, wie Metalle Elektrizität leiten.
Die Ergebnisse, in der Zeitschrift berichtet Materialien & Design, könnte zu einer effizienteren Stromverteilung für Haushalte und Unternehmen sowie zu effizienteren Motoren für den Antrieb von Elektrofahrzeugen und Industrieanlagen führen. Das Team hat ein Patent für die Arbeit angemeldet, das vom Department of Energy (DOE) Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office unterstützt wurde.
Die Materialwissenschaftlerin Keerti Kappagantula und ihre Kollegen am Pacific Northwest National Laboratory des DOE entdeckten, dass Graphen, einzelne Schichten des gleichen Graphits, der in Bleistiften zu finden ist, eine wichtige Eigenschaft von Metallen, den Temperaturkoeffizienten des Widerstands, verbessern kann.
Diese Eigenschaft erklärt, warum Metalldrähte heiß werden, wenn elektrischer Strom durch sie fließt. Forscher wollen diesen Widerstand verringern und gleichzeitig die Fähigkeit eines Metalls verbessern, Elektrizität zu leiten. Seit einigen Jahren fragen sie sich, ob sich die Leitfähigkeit von Metallen, insbesondere bei hohen Temperaturen, durch die Zugabe anderer Materialien erhöhen lässt. Und wenn ja, können diese Verbundwerkstoffe im kommerziellen Maßstab realisierbar sein?
Jetzt haben sie bewiesen, dass sie genau das können, und zwar mithilfe einer von PNNL patentierten fortschrittlichen Fertigungsplattform namens Form.
Als das Forschungsteam 18 Teile pro Million Graphen zu Kupfer in Elektroqualität hinzufügte, verringerte sich der Temperaturkoeffizient des Widerstands um 11 Prozent, ohne dass die elektrische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur abnahm. Dies ist für die Herstellung von Elektrofahrzeugmotoren relevant, wo eine 11-prozentige Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit der Kupferdrahtwicklung zu einer 1-prozentigen Steigerung der Motoreffizienz führt.
„Diese Entdeckung steht im Widerspruch zu dem, was allgemein über das Verhalten von Metallen als Leiter bekannt ist“, sagte Kappagantula. „Typischerweise erhöht das Einbringen von Additiven in ein Metall dessen Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass sie sich im Vergleich zu reinen Metallen bei gleichen Stromstärken schneller erwärmen. Wir beschreiben eine neue und aufregende Eigenschaft dieses Metallverbundstoffs, bei der wir eine verbesserte Leitfähigkeit in einem hergestellten Material beobachten.“ Kupferkabel.“
Die Mikrostruktur ist der Schlüssel zur Verbesserung von Graphen
Zuvor das Forschungsteam führte detaillierte strukturelle und physikbasierte Computerstudien durch das Phänomen der Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen mithilfe von Graphen zu erklären.
In dieser Studie zeigten sie, dass die Festphasenverarbeitung zum Extrudieren des Verbunddrahtes zu einer gleichmäßigen, nahezu porenfreien Mikrostruktur führt, die mit winzigen Flocken und Graphenclustern durchsetzt ist, die möglicherweise für die Verringerung des Widerstandskoeffizienten des Verbundwerkstoffs verantwortlich sind.
„Wir haben gezeigt, dass sowohl Flocken als auch Cluster vorhanden sein müssen, um bessere Leiter für Hochtemperaturbetriebe zu bilden“, sagte Kappagantula.
Die Co-Autoren Bharat Gwalani, Xiao Li und Aditya Nittala nutzten einen von PNNL entworfenen Prüfstand, der elektrische Eigenschaften mit hoher Präzision und Genauigkeit misst, um die verbesserte Leitfähigkeit zu validieren, wie sich in der detaillierten experimentellen Analyse des Teams widerspiegelt. Li und Md. Reza-E-Rabby entwickelten die Werkzeuge und Prozessumgebungen für das Festphasen-Reibungsextrusionsverfahren, das zum Patent führte.
Auf dem Weg zu effizienteren Kupfermotoren und -kabeln für städtische Gebäude
Laut dem Forschungsteam bieten die neuen Kupfer-Graphen-Verbunddrähte beim Einsatz in jeder industriellen Anwendung eine große Designflexibilität.
„Überall, wo es Strom gibt, haben wir einen Anwendungsfall“, sagte Kappagantula.
Beispielsweise werden gewickelte Kupferdrahtformen im Kern von Elektromotoren und Generatoren verwendet. Heutige Motoren sind für den Betrieb innerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs ausgelegt, denn wenn sie zu heiß werden, sinkt die elektrische Leitfähigkeit dramatisch. Mit dem neuen Kupfer-Graphen-Verbund könnten Motoren möglicherweise bei höheren Temperaturen betrieben werden, ohne dass die Leitfähigkeit verloren geht.
Ebenso bestehen die Leitungen, die Strom von Übertragungsleitungen in Haushalte und Unternehmen transportieren, typischerweise aus Kupfer. Mit zunehmender Bevölkerungsdichte in den Städten steigt auch die Nachfrage nach Strom. Ein besser leitender Verbunddraht könnte möglicherweise dazu beitragen, diesen Bedarf mit Effizienzeinsparungen zu decken.
„Diese Technologie ist eine schöne Lösung für Kupferkabel in dicht besiedelten städtischen Gebieten“, fügte Kappagantula hinzu.
Das Forschungsteam arbeitet weiterhin daran, das Kupfer-Graphen-Material anzupassen und andere wesentliche Eigenschaften wie Festigkeit, Ermüdung, Korrosion und Verschleißfestigkeit zu messen, die für die Eignung solcher Materialien für industrielle Anwendungen von entscheidender Bedeutung sind. Für diese Experimente stellt das Forschungsteam Drähte von der Dicke eines US-Pennys (1,5 Millimeter) her.
Mehr Informationen:
Bharat Gwalani et al., Beispiellose elektrische Leistung von durch Reibung extrudierten Kupfer-Graphen-Verbundwerkstoffen, Materialien & Design (2023). DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112555