美国亚利桑那州立大学《AM》:轴向连续石墨烯铜线，用于大功率传输

成果简介

随着电动汽车、无人机、便携式设备和可部署军事应用的技术进步，对大功率电力传输的需求不断增加。本文，美国亚利桑那州立大学Wonmo Kan等研究人员在《Adv Mater》期刊发表名为“An Axially Continuous Graphene–Copper Wire for High-Power Transmission: Thermoelectrical Characterization and Mechanisms”的论文，研究通过在微米直径的导线上合成轴向连续的石墨烯层，显著增强的电气特性（电流密度击穿极限增加了450%）。为了证明增强的潜在机制，在控制实验条件（包括环境温度、气体和压力）的同时，表征了具有三种不同直径的纯铜线和轴向连续石墨烯 – 铜（ACGC）线的电性能。研究表明，通过 ACGC线的应用极大电流密度（>400 000 A cm-2 )，与纯铜线相比，连续的石墨烯层显著改善：1) 表面散热（高 224%），2）电导率（高 41%）， 3）热稳定性（在热循环后高达 450°C 其电阻率降低 41.2%）。此外，通过使用高速摄像机图像观察到，与纯铜线相比，ACGC 线在电流密度极限附近表现出非常不同的故障行为。

图文导读

图1、铜和轴向连续石墨烯-铜（ACGC）线的微观结构表征

图2、原样、退火和 ACGC 线的尺寸和温度相关的电气特性

图3、氧化前后导线的微观结构表征

图4、a-c) A-Cu线 、双层石墨烯涂覆的Cu线和ACGC线、热电失效期间的一系列高速相机图像

图5、当经受每根导线的电流密度极限 ( J max )的实验测量值时，A-Cu和ACGC导线 ( dw=10µm) 沿导线长度的理论预测温度分布。

小结

综上所述，本研究开发并表征了用于高功率传输的创新、轴向连续石墨烯-铜 (ACGC) 线。解决了在热电应用中使用石墨烯-金属复合材料的两个固有挑战：

1）在电流方向上去除不连续的碳-碳和碳-金属界面，

由于这些优点，Cu线上的管状连续石墨烯层减少了石墨烯-金属界面处的非弹性表面散射，并保护线在焦耳加热过程中不被氧化，从而显着增强了 ACGC 线的热电性能.

研究表明，ACGC线实现了电流密度击穿极限的显著增加（约4.5 倍），并具有极好的热稳定性。本研究中精心设计的实验和理论分析与传统的纯铜线相比，增强热电性能的潜在机制，包括在高达450 °C 的热循环后表面散热提高 224%，导电率提高 41%，电阻率降低 41.2%。此外，理论分析表明，ACGC 较高的表面散热为高速摄像机捕获的ACGC电线在电流密度极限附近的独特故障行为提供了合理的解释。本研究成果与先前报道的工作相比，增加了电流密度、导电性、高温下的长期抗氧化性及其热稳定性。

这些有希望的结果和对潜在机制的基本理解可能会为设计用于高功率传输应用的高性能、轴向双连续石墨烯-金属复合材料带来技术范式转变。ACGC 电线具有优异的热电性能和高温下的化学惰性，将为需要大功率传输的现代电力系统的挑战提供新的工程解决方案，包括航空航天工业、运输系统以及先进的电子和通信设备。此外，ACGC导线的优点可用于解决小型化电子设备中的技术问题之一，即大电流密度驱动的电迁移导致电连接器故障。

https://doi.org/10.1002/adma.202104208