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国际新闻

ORNL开发新型Cu-CNT复合材料 将电流容量提高14%
来源:腾讯网  2020-09-28 11:19:22
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-9957.html       据外媒报道,美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL)的科学家们,利用新技术制造了一种复合材料,提高铜线电流容量。这种材料可以调整尺寸,用于超高效、功率密度高的电动汽车牵引电动机。


       这项研究旨在减少障碍,促进电动汽车广泛应用,比如降低成本,提高电动机和电力电子设备等部件的性能和寿命。此类材料可以应用于任何使用铜的部件上,包括电动汽车牵引逆变器中更高效的母线和更小的连接器,以及无线和有线充电系统等应用。

       为了制造性能更好、重量更轻的导电材料,ORNL研究人员将碳纳米管沉积并排列在平坦的铜基板上,从而形成金属基复合材料。比起单独的铜,这种材料的电流处理能力和机械性能更好。

       在铜基体中加入碳纳米管(CNT),以提高导电性和机械性能,这并不是一个新想法。 CNT因其重量轻、强度高和导电性能而成为绝佳的选择。但是,在以往的复合材料研究中,要么生成的材料长度非常短,只有微米或毫米,而且可扩展性有限,要么材料长度较长,但性能很差。

       ORNL团队尝试用静电纺丝法沉积单壁CNT,这是一种商业上可行的方法,当液体喷射通过电场时可以产生纤维。研究人员Kai Li称,该技术可以控制沉积材料的结构和取向,在这种情况下,科学家可以成功地将碳纳米管定向至一个大致方向,以促进电流流动。接着,研究团队利用磁控溅射真空镀膜技术,在覆有CNT的铜带上添加了一层薄铜膜。然后,将样品置于真空炉中退火,形成均匀致密的铜层,从而产生高导电性Cu-CNT网状物,并使铜扩散至CNT基体中。

       ORNL的科学家利用这种方法,制造出一种铜碳纳米管复合材料,长10厘米、宽4厘米,而且性能优异。研究人员还利用ORNL纳米材料科学中心(美国能源部科学用户设施办公室)的仪器,分析材料的微观结构特征。他们发现,与纯铜相比,该复合材料的电流容量提高了14%,机械性能提高了20%。该项目的首席研究员Tolga Aytug表示:“我们的目标是,通过将碳纳米管的所有优良特性嵌入到铜基体中,提高机械强度、减轻重量和提高电流容量。你将获得功耗更低、更好的导体,这反过来又提高了设备的效率和性能。例如,在先进的电机系统中,提高性能有助于减少体积,并增加功率密度。”

       这项工作以ORNL丰富的超导研究历史为基础,已经生产出了可以低电阻导电的优良材料。该实验室的超导导线技术已授权给多家行业供应商,可实现高容量电力传输,同时将功耗降至最低。Aytug说,在新复合材料方面取得的突破,对电动机具有直接影响,同时在以效率、质量和尺寸为关键指标的应用中,可以提高电气化。他说,通过商业可行性技术来提升性能,有可能为各类电气系统和工业应用设计出先进导体。

       ORNL团队还在探讨,如何使用双壁CNT和其它沉积技术,如超声喷涂涂层和辊对辊系统,生产约1米长的样品。ORNL电力驱动技术项目经理Burak Ozpineci指出:“电动机基本上是金属的组合,包括钢层压板和铜绕组。为了实现美国能源部汽车技术办公室的2025年电动汽车目标,我们需要提升电动驱动的功率密度,并将电动机的体积减少8倍,因此需要提高材料性能。”  文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-9957.html