6 okt. 2020
2 minuten
Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory (VS) hebben een composiet gemaakt dat de elektrische stroomcapaciteit van koperdraden vergroot, waardoor een nieuw materiaal ontstaat dat kan worden opgeschaald voor gebruik in ultra-efficiënte, krachtige tractiemotoren voor elektrische voertuigen.
Het composiet bereikt een 14% grotere stroomcapaciteit, met tot 20% verbeterde mechanische eigenschappen in vergelijking met puur koper, zoals wordt beschreven in ACS Applied Nano Materials.
Het materiaal kan worden gebruikt in elk onderdeel van elektrische voertuigen die koper gebruiken, inclusief kleinere connectoren voor omvormers, maar ook voor toepassingen zoals draadloze en bedrade oplaadsystemen.
Om een lichter geleidend materiaal te produceren met verbeterde prestaties, hebben de onderzoekers koolstofnanobuisjes uitgelijnd op platte koperen substraten, wat resulteerde in een metaal-matrix composietmateriaal met betere stroomafhandelingscapaciteit en mechanische eigenschappen dan alleen koper.
Het opnemen van koolstofnanobuisjes (CNT’s) in een kopermatrix om de geleidbaarheid en mechanische prestaties te verbeteren, is geen nieuw idee. CNT’s zijn een uitstekende keuze vanwege hun lichtere gewicht, buitengewone sterkte en geleidende eigenschappen. Maar eerdere pogingen tot composieten resulteerden in zeer korte materiaalengtes, slechts micrometers of millimeters, samen met beperkte schaalbaarheid, of in langere lengtes die slecht presteerden.
Het ORNL-team besloot te experimenteren met het deponeren van enkelwandige CNT’s met behulp van elektrospinning, een commercieel haalbare methode die vezels creëert terwijl een vloeistofstraal door een elektrisch veld stroomt. "De techniek geeft controle over de structuur en oriëntatie van afgezette materialen", zegt onderzoeker Kai Li. In dit geval stelde het proces de wetenschappers in staat om de CNT’s met succes in één algemene richting te oriënteren om een verbeterde elektrische stroom te krijgen.
Het team gebruikte vervolgens magnetron sputteren, een vacuümcoatingtechniek, om dunne lagen koperfilm toe te voegen aan de met CNT gecoate kopertapes. De gecoate monsters werden vervolgens uitgegloeid in een vacuümoven om een sterk geleidend Cu-CNT-netwerk te produceren door een dichte, uniforme koperlaag te vormen en diffusie van koper in de CNT-matrix mogelijk te maken.
Dit leidde tot een composiet van koper-koolstof nanobuisjes van 10 centimeter lang en 4 centimeter breed, met uitzonderlijke eigenschappen. De microstructurele eigenschappen van het materiaal werden geanalyseerd met behulp van instrumenten van het Center for Nanophase Materials Sciences van ORNL. Het composiet bereikte een 14% grotere stroomcapaciteit, met tot 20% verbeterde mechanische eigenschappen in vergelijking met puur koper.
Hoewel de doorbraak in composiet directe implicaties heeft voor elektromotoren, zou het ook de elektrificatie kunnen verbeteren in andere toepassingen waar efficiëntie, massa en grootte een belangrijke maatstaf zijn, denkt hoofdonderzoeker Toyla Aytug.
Anderen lazen ook
