2020年9月22日
橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的科学家利用新技术创造了一种复合材料，可以增加铜线的电流容量，提供了一种新材料，可以按比例用于超高效、功率密集的电动汽车牵引电机。
这项研究旨在降低更广泛采用电动汽车的障碍，包括降低拥有成本，提高电机和电力电子产品等部件的性能和寿命。这种材料可以应用在任何使用铜的组件中，包括更高效的母线和更小的电动汽车牵引逆变器连接器，以及无线和有线充电系统。
为了生产一种重量更轻、性能更好的导电材料，ORNL的研究人员将碳纳米管沉积在平坦的铜基底上，并将其对齐，从而形成一种金属基复合材料，比纯铜具有更好的电流处理能力和力学性能。
将碳纳米管(简称CNTs)加入铜基体中以提高导电性和机械性能并不是一个新想法。由于其重量轻、强度高、导电性能好，CNTs是一个很好的选择。但其他研究人员过去对复合材料的尝试都导致材料长度非常短，只有微米或毫米，且可扩展性有限，或更长长度的材料表现不佳。
ORNL团队决定使用静电纺丝来沉积单壁碳纳米管。静电纺丝是一种商业上可行的方法，可以在电场中以液体射流的形式生成纤维。该技术可以控制沉积材料的结构和方向，俄勒冈州国家实验室化学科学部的博士后研究员李凯(音译)解释说。亚博网站下载亚博老虎机网登录在这种情况下，该过程使科学家能够成功地将碳纳米管定向到一个总体方向，从而促进电流的增强。
研究小组随后使用磁控溅射(一种真空镀膜技术)，在碳纳米管涂层铜带的顶部添加薄层铜薄膜。包覆的样品随后在真空炉中退火，形成致密、均匀的铜层，形成高导电的铜-碳纳米管网络，并允许铜扩散到碳纳米管基体中。
使用这种方法，橡树岭国家实验室的科学家们创造了长10厘米、宽4厘米的铜碳纳米管复合材料，具有非凡的性能。该材料的微观结构性能是使用美国能源部科学办公室的用户设施ORNL纳米材料科学中心的仪器进行分析的。亚博网站下载亚博老虎机网登录研究人员发现，与纯铜相比，这种复合材料的电流容量提高了14%，力学性能提高了20%ACS应用纳米材料亚博网站下载．
该项目的首席研究员托尔加·艾托格说“通过将碳纳米管的所有伟大特性嵌入铜基体，我们的目标是更好的机械强度，更轻的重量和更高的电流容量。然后你就可以得到一个更好的导体和更少的功率损耗，这反过来又提高了设备的效率和性能。例如，改进的性能意味着我们可以在先进的电机系统中减少体积，增加功率密度。”
这项工作建立在ORNL丰富的超导研究历史的基础上，该研究已经生产出了以低电阻导电的优越材料。亚博网站下载该实验室的超导导线技术获得了几个行业供应商的许可，实现了以最小功率损耗进行高容量输电的用途。
Aytug说，虽然这一新的复合材料突破对电动马达有直接的影响，但它也可以改善以效率、质量和尺寸为关键指标的应用中的电气化。他说，通过商业上可行的技术，改进的性能特性意味着为广泛的电气系统和工业应用设计先进导体的新可能性。
ORNL团队还在探索使用双壁碳纳米管和其他沉积技术，如超声喷涂涂层和卷对卷系统，以生产约1米长的样品。
“电动马达基本上是金属——钢片和铜绕组的组合，”ORNL电力驱动技术项目经理、电力电子和电气机械组负责人Burak Ozpineci指出。“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，我们需要提高电动驱动的功率密度，并将电机的体积减少8倍，这意味着改善材料性能。”
参与该项目的其他ORNL科学家有迈克尔·麦圭尔、安德鲁·卢皮尼、莉迪亚·斯科尔鲁德、弗雷德·里斯特和索丹·奥兹坎。这项工作是由能源部的能源效率和可再生能源办公室，汽车技术办公室资助的。
来源:http://www.ornl.gov/