Ученые и инженеры-исследователи из Национальной лаборатории Окриджа использовали новые методы для создания композита, который увеличивает пропускную способность медных проводов по электрическому току, обеспечивая новый материал, который можно масштабировать для использования в сверхэффективных тяговых двигателях электромобилей с высокой плотностью мощности.

Исследование направлено на снижение препятствий для более широкого внедрения электромобилей, включая снижение стоимости владения и повышение производительности и срока службы таких компонентов, как электродвигатели и силовая электроника. Материал может быть использован в любом компоненте, в котором используется медь, включая более эффективные шины и меньшие соединители для тяговых инверторов электромобилей, а также для таких приложений, как беспроводные и проводные системы зарядки.

Чтобы получить более легкий проводящий материал с улучшенными характеристиками, инженеры-исследователи ORNL нанесли и выровняли углеродные нанотрубки на плоских медных подложках, в результате чего получился композитный материал с металлической матрицей с лучшей пропускной способностью по току и механическими свойствами, чем у одной меди.

Включение углеродных нанотрубок или УНТ в медную матрицу для улучшения проводимости и механических характеристик не является новой идеей. УНТ — отличный выбор из-за их меньшего веса, исключительной прочности и проводящих свойств. Но прошлые попытки других инженеров-исследователей создать композиты привели к очень короткой длине материала, всего в микрометрах или миллиметрах, наряду с ограниченной масштабируемостью, или к увеличенной длине, которая плохо работала.

Команда ORNL решила поэкспериментировать с нанесением одностенных УНТ с помощью электроспиннинга, коммерчески жизнеспособного метода, при котором волокна создаются в виде струи жидкости, движущейся через электрическое поле. «Этот метод обеспечивает контроль над структурой и ориентацией осажденных материалов», — пояснил Кай Ли, научный сотрудник отделения химических наук ORNL. В этом случае процесс позволил ученым успешно ориентировать УНТ в одном общем направлении, чтобы облегчить усиленный поток электричества.

Затем команда использовала магнетронное распыление, технику вакуумного покрытия, чтобы добавить тонкие слои медной пленки поверх медных лент, покрытых УНТ. Затем образцы с покрытием отжигали в вакуумной печи для получения высокопроводящей сетки Cu-CNT за счет формирования плотного однородного слоя меди и обеспечения диффузии меди в матрицу CNT.

Используя этот метод, ученые ORNL создали композит медь-углеродные нанотрубки длиной 10 сантиметров и шириной 4 см с исключительными свойствами. Микроструктурные свойства материала были проанализированы с использованием инструментов в Центре нанофазных материаловедения в ORNL, пользовательском учреждении Управления науки Министерства энергетики США.

Исследователи обнаружили, что композит на 14% больше пропускной способности по току, с улучшенными механическими свойствами до 20% по сравнению с чистой медью, как подробно описано в ACS Applied Nano Materials.

Толга Айтуг, ведущий инженер-исследователь проекта, сказал — что «внедряя все замечательные свойства углеродных нанотрубок в медную матрицу, мы стремимся к лучшей механической прочности, меньшему весу и большей токовой нагрузке. Тогда вы получите лучший проводник с меньшими потерями мощности, что в свою очередь, повысит эффективность и производительность устройства. Например, улучшенная производительность означает, что мы можем уменьшить объем и увеличить удельную мощность в современных моторных системах».

Работа основана на богатой истории исследований сверхпроводимости в ORNL, которая произвела превосходные материалы для проведения электричества с низким сопротивлением. Лабораторная технология сверхпроводящих проводов была лицензирована нескольким отраслевым поставщикам, что позволяет использовать ее в таких областях, как передача электроэнергии большой емкости с минимальными потерями мощности.

Хотя новый прорыв в области композитных материалов имеет прямое значение для электродвигателей, он также может улучшить электрификацию в приложениях, где эффективность, масса и размер являются ключевыми показателями, сказал Айтуг. По его словам, улучшенные рабочие характеристики, достигнутые с помощью коммерчески жизнеспособных технологий, означают новые возможности для разработки современных проводников для широкого спектра электрических систем и промышленных приложений.

Команда ORNL также изучает возможность использования двустенных УНТ и других методов осаждения, таких как нанесение покрытия ультразвуковым распылением в сочетании с системой рулон-рулон для производства образцов длиной около 1 метра.

«Электродвигатели в основном представляют собой комбинацию металлов — стальных листов и медных обмоток», — отметил Бурак Озпинечи, менеджер программы ORNL Electric Drive Technologies и руководитель группы силовой электроники и электрического оборудования. «Чтобы достичь поставленных Министерством энергетики США целей и задач по производству электромобилей на 2025 год, нам необходимо увеличить удельную мощность электропривода и уменьшить объем двигателей в 8 раз, а это означает улучшение свойств материалов».