وبلاگ

اخبار – RICHLAND، Wash. – یک ترکیب ساده کربنی هنگامی که به نسبت مناسب با مس برای ساخت سیم‌های الکتریکی مخلوط می‌شود، بهبود عملکرد قابل توجهی را ممکن می‌سازد. این پدیده ای است که عقل متعارف را در مورد چگونگی هدایت الکتریسیته فلزات به چالش می کشد. یافته ها، در دسامبر 2023 در مجله گزارش شده است مواد و طراحی، می تواند به توزیع کارآمدتر برق برای خانه ها و مشاغل و همچنین موتورهای کارآمدتر برای تامین انرژی وسایل نقلیه الکتریکی و تجهیزات صنعتی منجر شود. این تیم درخواست ثبت اختراع برای این کار کرده است که توسط دفتر مواد پیشرفته و فناوری‌های ساخت وزارت انرژی (DOE) پشتیبانی می‌شود.

دانشمند مواد Keerti Kappagantula و همکارانش از آزمایشگاه ملی DOE Pacific Northwest کشف کرد که گرافن، لایه‌های منفرد از همان گرافیت موجود در مدادها، می‌تواند ویژگی مهم فلزات به نام ضریب دمایی مقاومت را بهبود بخشد. این ویژگی توضیح می دهد که چرا سیم های فلزی با عبور جریان الکتریکی از آنها گرم می شوند. محققان می‌خواهند این مقاومت را کاهش دهند و در عین حال توانایی فلز برای هدایت الکتریسیته را بهبود بخشند. چندین سال است که آنها می پرسند که آیا می توان رسانایی یک فلز را به خصوص در دماهای بالا با افزودن مواد دیگر به آن افزایش داد؟ و اگر چنین است، آیا این کامپوزیت ها می توانند در مقیاس تجاری قابل اجرا باشند؟

اکنون آنها نشان داده اند که می توانند این کار را با استفاده از a انجام دهند پلت فرم تولید پیشرفته PNNL به نام ShaPE™. هنگامی که تیم تحقیقاتی 18 قسمت در میلیون گرافن را به مس الکتریکی اضافه کرد، ضریب دمایی مقاومت بدون کاهش رسانایی الکتریکی در دمای اتاق 11 درصد کاهش یافت. این به تولید موتور برای وسایل نقلیه الکتریکی مربوط می شود، جایی که افزایش 11 درصدی در هدایت الکتریکی سیم پیچ مسی به افزایش 1 درصدی در راندمان موتور تبدیل می شود.

Capagantula گفت: «این یافته با آنچه معمولاً در مورد رفتار فلزات به عنوان رسانا شناخته شده است، در تضاد است. به طور معمول، افزودن مواد افزودنی به فلز، ضریب مقاومت دمایی آن را افزایش می‌دهد، به این معنی که در مقایسه با فلزات خالص در همان سطوح فعلی سریع‌تر گرم می‌شود. ما یک ویژگی جدید و هیجان انگیز این کامپوزیت فلزی را توصیف می کنیم که در آن رسانایی افزایش یافته را در یک سیم مسی ساخته شده مشاهده می کنیم.

ریزساختار کلیدی برای بهبود گرافن است

پیش از این، تیم تحقیقاتی مطالعات دقیق ساختاری و محاسباتی مبتنی بر فیزیک انجام داد برای توضیح پدیده بهبود رسانایی الکتریکی فلزات با استفاده از گرافن.

در این مطالعه نشان دادند که پردازش فاز جامد مورد استفاده برای اکسترود کردن سیم کامپوزیت باعث ایجاد یک ریزساختار یکنواخت و تقریباً بدون منافذ می شود که با تکه های کوچک و خوشه های گرافن خال خال شده است، که ممکن است مسئول کاهش ضریب درگ کامپوزیت باشد.

کاپاگانگولا گفت: «ما نشان داده‌ایم که هم دانه‌ها و هم خوشه‌ها باید وجود داشته باشند تا رساناهای بهتری برای عملیات در دمای بالا ایجاد کنیم.

Bharat Gwalani، Xiao Li و Aditya Nittala از یک پلت فرم آزمایشی طراحی شده توسط PNNL استفاده کردند که خواص الکتریکی را با دقت و دقت بالا اندازه گیری می کند تا رسانایی بهبود یافته را همانطور که در تجزیه و تحلیل تجربی دقیق تیم منعکس شده است تأیید کند. لی و ام. رضا-ای-رابی ابزار و پاکت های فرآیند را برای فرآیند اکستروژن اصطکاکی فاز جامد توسعه داد که منجر به ثبت اختراع شد.

به سمت موتورهای مسی و سیم کشی کارآمدتر برای ساختمان های شهری

طبق گفته تیم تحقیقاتی، سیم‌های کامپوزیت مس-گرافن جدید، هنگامی که برای هر کاربرد صنعتی استفاده می‌شود، انعطاف‌پذیری زیادی در طراحی ایجاد می‌کند.

کاپاگانتولا گفت: «هرجا برق باشد، ما یک مورد استفاده داریم.

به عنوان مثال، اشکال سیم مسی سیم پیچ در هسته موتورهای الکتریکی و ژنراتورها استفاده می شود. موتورهای امروزی طوری طراحی شده اند که در محدوده دمایی محدودی کار کنند، زیرا وقتی بیش از حد گرم می شوند، هدایت الکتریکی به طور چشمگیری کاهش می یابد. با کامپوزیت جدید مس-گرافن، موتورها به طور بالقوه می توانند در دماهای بالاتر بدون از دست دادن رسانایی کار کنند.

به همین ترتیب، سیم کشی که برق را از خطوط انتقال به خانه ها و مشاغل می رساند معمولاً از مس ساخته شده است. با افزایش تراکم جمعیت شهرها، تقاضای انرژی نیز از این روند پیروی می کند. یک سیم کامپوزیت که رسانایی بیشتری دارد به طور بالقوه می تواند با صرفه جویی در بهره وری به پاسخگویی به این تقاضا کمک کند.

Capagantula افزود: این فناوری یک راه حل زیبا برای سیم کشی مسی در محیط های شهری با تراکم بالا است.

تیم تحقیقاتی به کار خود برای سفارشی‌سازی مواد مس-گرافن و اندازه‌گیری سایر ویژگی‌های کلیدی، مانند استحکام، خستگی، خوردگی و مقاومت در برابر سایش ادامه می‌دهد – که همگی برای واجد شرایط بودن چنین موادی برای کاربردهای صنعتی حیاتی هستند. برای این آزمایش ها، تیم تحقیقاتی سیم هایی به ضخامت یک پنی آمریکا (1.5 میلی متر) تولید کردند.

سایر همکاران PNNL در این تحقیق عبارتند از Woongjo Choi، Julian Escobar Atehortua، Arun Bhattacharjee، Mayur Pole، Joshua Silverstein و Miao Song. این تحقیق توسط دفتر کارایی انرژی و انرژی های تجدیدپذیر DOE، دفتر مواد پیشرفته و فناوری های ساخت، و ابتکار CABLE برای مواد افزایش یافته با رسانایی برای کاربردهای مقرون به صرفه، انقلابی الکتریکی و حرارتی (CABLE) پشتیبانی شده است، که از تولیدکنندگان آمریکایی که می خواهند ارتقاء مواد و کاربردهایی که از قابلیت اطمینان شبکه و سایر سیستم های انرژی الکتریکی و حرارتی پشتیبانی می کنند.