华盛顿州里奇兰——一种常见的碳化合物与铜以适当的比例混合来制造电线时，可以显着提高性能。这种现象违背了金属导电方式的传统观念。该研究结果于 2023 年 12 月发表在《Materials & Design》杂志上，可能会提高家庭和企业的电力分配效率，并带来更高效的电机来为电动汽车和工业设备提供动力。该团队已为这项工作申请了专利，并得到了能源部（DOE）先进材料和制造技术办公室的支持。
美国能源部太平洋西北国家实验室的材料科学家 Keerti Kappagantula和她的同事发现，石墨烯（与铅笔中发现的石墨相同的单层石墨烯）可以增强金属的一种重要特性，即电阻温度系数。这一特性解释了为什么金属线在电流通过时会变热。研究人员希望降低这种电阻，同时增强金属的导电能力。多年来，他们一直在询问是否可以通过添加其他材料来提高金属的导电性，尤其是在高温下。如果是的话，这些复合材料可以在商业规模上可行吗？
现在，他们已经证明可以使用PNNL 获得专利的名为 ShAPE™ 的先进制造平台做到这一点。当研究小组在电工级铜中添加百万分之十八的石墨烯时，电阻温度系数降低了 11%，而室温下的电导率却没有降低。这与电动汽车电机的制造相关，其中铜线绕组的电导率提高 11%，电机效率提高 1%。
Keerti Kappagantula 和她的同事批量开发了高导电铜线，如图所示。（安德里亚·斯塔尔摄 | 太平洋西北国家实验室）
“这一发现与人们对金属导体行为的普遍认知背道而驰，”卡帕甘图拉说。“通常，在金属中引入添加剂会增加其电阻温度系数，这意味着与纯金属相比，它们在相同的电流水平下加热得更快。我们正在描述这种金属复合材料的一个令人兴奋的新特性，我们观察到制造的铜线具有增强的导电性。”
微观结构是石墨烯增强的关键
此前，研究小组进行了详细的结构和基于物理的计算研究，以解释使用石墨烯增强金属导电性的现象。
在这项研究中，他们表明，用于挤出复合线材的固相加工会产生均匀、近乎无孔的微观结构，其中点缀着微小的石墨烯薄片和簇，这可能是降低复合材料电阻系数的原因。
卡帕甘图拉说：“我们表明，薄片和团簇必须同时存在，才能成为高温操作中更好的导体。”
Aditya Nittala 使用太平洋西北国家实验室开发的专用设备测量铜线的电导率。（安德里亚·斯塔尔摄 | 太平洋西北国家实验室）
合著者 Bharat Gwalani、Xiao Li 和 Aditya Nittala 利用 PNNL 设计的测试台来高精度测量电气特性，以验证改进的电导率，正如该团队的详细实验分析所反映的那样。Li 和 Reza-E-Rabby 博士为固相摩擦挤出工艺开发了工具和工艺包络，并获得了该专利。
为城市建筑提供更高效的铜电机和布线
研究团队表示，当应用于任何工业应用时，新型铜-石墨烯复合线将提供极大的设计灵活性。
“任何有电的地方，我们都有一个用例，”卡帕甘图拉说。
例如，卷绕铜线用于电动机和发电机的核心。如今的电机被设计为在有限的温度范围内运行，因为当它们变得太热时，电导率会急剧下降。借助新型铜-石墨烯复合材料，电机有可能在更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布线通常由铜制成。随着城市人口密度的增加，对电力的需求也随之增加。导电性更强的复合线可能有助于满足这一需求并提高效率。
“这项技术是高密度城市环境中铜布线的完美解决方案，”Kappagantula 补充道。
研究团队继续致力于定制铜-石墨烯材料并测量其他基本性能，例如强度、疲劳、腐蚀和耐磨性，所有这些对于使此类材料适合工业应用至关重要。在这些实验中，研究团队正在制造厚度约为一美分（1.5 毫米）的电线。
PNNL 此项研究的其他贡献者包括 Woongjo Choi、Julian Escobar Atehortua、Arun Bhattacharjee、Mayur Pole、Joshua Silverstein 和 Miao Song。这项研究得到了美国能源部能源效率和可再生能源办公室、先进材料和制造技术办公室以及用于经济实惠、突破性跨越式电热应用的导电性增强材料 (CABLE) 计划的支持，该计划支持美国制造商寻求升级支持电网可靠性和其他电力和热能系统的材料和应用。
Unprecedented electrical performance of friction-extruded copper-graphene composites
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112555
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