PNNL通过添加石墨烯来增强铜电导率 有助于提高电机效率

盖世汽车讯 据外媒报道，美国能源部太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）的研究人员发现，将一种常见的碳化合物与铜以适当比例混合，然后用来制造电线，可以明显提高其性能。这种现象违背了关于金属导电方式的传统观念。

（图片来源：太平洋西北国家实验室）

相关研究结果发表在期刊《材料与设计（Materials & Design）》上。该研究或将提高家庭和企业的电力分配效率，并有助于实现更高效的电机，以为电动汽车和工业设备提供动力。该团队已为此申请了专利，并得到美国能源部（DOE）先进材料和制造技术办公室的支持。

太平洋西北国家实验室材料研究人员Keerti Kappagantula及其同事发现，石墨烯可以提高金属的重要特性之一，即电阻温度系数。这一特性解释了为什么金属丝在电流通过时会变热。研究人员希望降低这种电阻，同时提高金属的导电能力。多年来，他们一直在探讨是否可以通过添加其他材料来增强金属电导率，尤其是在高温下。

现在，研究人员证明，利用PNNL获得专利的ShAPE™先进制造平台，可以做到这一点。该团队往电工级铜中添加百万分之十八的石墨烯，结果电阻温度系数降低了11%，而室温电导率却没有降低。这会对制造电动汽车电机产生影响，其中铜线绕组的电导率提高11%，电机效率提高1%。

Kappagantula表示：“这一发现与人们对金属导体行为的普遍认知背道而驰。通常情况下，向金属中加入添加剂会提高其电阻温度系数。因此，它们与纯金属相比在相同的电流水平下加热得更快。我们提到的这种金属复合材料具有令人兴奋的新特性，我们观察到所制造的铜线具有增强电导率。”

微观结构是石墨烯增强能力的关键

在此之前，该研究团队进行了详细的结构和物理基计算研究，以解释通过石墨烯增强金属导电性的现象。

在这项研究中，研究人员发现，利用固相加工来挤出复合线材，会产生均匀、近乎无孔的微观结构，其中不时出现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。Kappagantula表示：“我们的研究表明，薄片和团簇必须同时存在，才能为高温操作提供更好的导体。”

该项研究的共同作者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（如该团队的具体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（process envelope），并获得专利。

该研究团队表示，新型铜-石墨烯复合导线可以为工业应用提供极大的设计灵活性。例如，用于电动机和发电机中心位置的卷绕铜线。目前的电机设计只能在有限的温度范围内运行，因为当它们变得过热时，电导率就会急剧下降。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。

该团队将继续其研究，按照具体要求制造铜-石墨烯材料并测量其他基本性能，例如强度、疲劳、腐蚀和耐磨性能。目前，研究人员正在制造厚度约为1美分（1.5毫米）的导线，以用于这些实验。