Un composé de carbone courant permet des améliorations remarquables des performances lorsqu'il est mélangé dans la bonne proportion avec du cuivre pour fabriquer des fils électriques. C'est un phénomène qui défie les idées reçues sur la façon dont les métaux conduisent l'électricité. Les résultats, rapportés en décembre 2023 dans la revue Products & Design and style, pourraient conduire à une distribution d’électricité furthermore efficace aux foyers et aux entreprises, ainsi qu’à des moteurs plus efficaces pour alimenter les véhicules électriques et les équipements industriels. L'équipe a déposé une demande de brevet pour ce travail, qui a été soutenu par le Bureau des matériaux avancés et des systems de fabrication du Département de l'énergie (DOE).
La scientifique des matériaux Keerti Kappagantula et ses collègues du laboratoire nationwide du nord-ouest du Pacifique du DOE ont découvert que le graphène, une couche distinctive du même graphite que l'on trouve dans les crayons, peut améliorer une propriété importante des métaux appelée coefficient de résistance thermique. Cette propriété explique pourquoi les fils métalliques chauffent lorsqu’un courant électrique les traverse. Les chercheurs souhaitent réduire cette résistance tout en améliorant la capacité d'un métal à conduire l'électricité. Depuis plusieurs années, on se demande s'il est achievable d'augmenter la conductivité du métal, notamment à haute température, en y ajoutant d'autres matériaux. Et si oui, ces composites peuvent-ils être viables à l’échelle commerciale ?
Aujourd’hui, ils ont démontré qu’ils pouvaient faire exactement cela, en utilisant une plateforme de fabrication avancée brevetée par PNNL appelée ShAPE™. Lorsque l’équipe de recherche a ajouté 18 events par million de graphène au cuivre de qualité électrique, le coefficient de résistance thermique a diminué de 11% sans diminuer la conductivité électrique à température ambiante. Cela est pertinent pour la fabrication de moteurs de véhicules électriques, où une augmentation de 11% de la conductivité électrique des enroulements de fils de cuivre se traduit par un obtain de 1% du rendement du moteur.
« Cette découverte va à l'encontre de ce que l'on sait généralement sur le comportement des métaux en tant que conducteurs », a déclaré Kappagantula. « En règle générale, l'introduction d'additifs dans un métal augmente son coefficient de résistance à la température, ce qui signifie qu'ils chauffent additionally rapidement aux mêmes niveaux de courant que les métaux purs. Nous décrivons une propriété nouvelle et passionnante de ce composite métallique où nous observons une conductivité améliorée dans un matériau manufacturé. fil de cuivre. »
La microstructure est la clé de l'amélioration du graphène
Auparavant, l’équipe de recherche avait réalisé des études informatiques détaillées basées sur la physique et la composition pour expliquer le phénomène d’amélioration de la conductivité électrique des métaux à l’aide du graphène.
Dans cette étude, ils ont montré que le traitement en period solide utilisé pour extruder le fil composite conduit à une microstructure uniforme, presque sans pores, ponctuée de minuscules flocons et amas de graphène pouvant être responsables de la diminution du coefficient de résistance du composite.
« Nous avons montré que des flocons et des amas doivent tous deux être présents pour constituer de meilleurs conducteurs pour les opérations à haute température », a déclaré Kappagantula.
Les co-auteurs Bharat Gwalani, Xiao Li et Aditya Nittala ont profité d'un banc d'essai conçu par le PNNL qui mesure les propriétés électriques avec une grande précision et exactitude pour valider l'amélioration de la conductivité, comme en témoigne l'analyse expérimentale détaillée de l'équipe. Li et Md. Reza-E-Rabby ont développé l'outillage et les enveloppes de processus pour le processus d'extrusion par friction en period solide qui a conduit au brevet.
Vers des moteurs et un câblage en cuivre moreover efficaces pour les bâtiments urbains
Selon l'équipe de recherche, lorsqu'ils sont appliqués à n'importe quelle software industrielle, les nouveaux fils composites cuivre-graphène offriront une grande flexibilité de conception.
« Partout où il y a de l'électricité, nous avons un cas d'utilisation », a déclaré Kappagantula.
Par exemple, des fils de cuivre enroulés sont utilisés dans le cœur des moteurs et des générateurs électriques. Les moteurs d’aujourd’hui sont conçus pour fonctionner dans une plage de températures limitée, auto lorsqu’ils deviennent trop chauds, la conductivité électrique chute considérablement. Avec le nouveau composite cuivre-graphène, les moteurs pourraient potentiellement fonctionner à des températures moreover élevées sans perdre en conductivité.
De même, le câblage qui amène l’électricité des lignes de transportation aux maisons et aux entreprises est généralement en cuivre. À mesure que la densité de populace des villes augmente, la demande d’électricité match également. Un fil composite additionally conducteur pourrait potentiellement contribuer à répondre à cette demande en réalisant des économies d’efficacité.
« Cette technologie constitue une excellente option pour le câblage en cuivre dans les environnements urbains à haute densité », a ajouté Kappagantula.
L'équipe de recherche poursuit ses travaux pour personnaliser le matériau cuivre-graphène et mesurer d'autres propriétés essentielles, telles que la résistance, la exhaustion, la corrosion et la résistance à l'usure, qui sont toutes cruciales pour qualifier ces matériaux pour des programs industrielles. Pour ces expériences, l’équipe de recherche fabrique des fils d’environ l’épaisseur d’un centime américain (1,5 millimètres).
Parmi les autres contributeurs du PNNL à cette recherche figurent Woongjo Choi, Julian Escobar Atehortua, Arun Bhattacharjee, Mayur Pole, Joshua Silverstein et Miao Track. Cette recherche a été soutenue par le Bureau de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE, le Bureau des matériaux avancés et des systems de fabrication, et l'initiative Conductivity-improved Materials for Cost-effective, Breakthrough Leapfrog Electrical and Thermal Apps (CABLE), qui soutient les fabricants américains cherchant à améliorer le matériaux et apps qui prennent en charge la fiabilité du réseau et d’autres systèmes d’énergie électrique et thermique.
