ORNL开发新型Cu-CNT复合材料 将电流容量提高14%

盖世汽车讯据外媒报道，美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的科学家们，利用新技术制造了一种复合材料，提高铜线电流容量。这种材料可以调整尺寸，用于超高效、功率密度高的电动汽车牵引电动机。

（图片来源：ORNL）

这项研究旨在减少障碍，促进电动汽车广泛应用，比如降低成本，提高电动机和电力电子设备等部件的性能和寿命。此类材料可以应用于任何使用铜的部件上，包括电动汽车牵引逆变器中更高效的母线和更小的连接器，以及无线和有线充电系统等应用。

为了制造性能更好、重量更轻的导电材料，ORNL研究人员将碳纳米管沉积并排列在平坦的铜基板上，从而形成金属基复合材料。比起单独的铜，这种材料的电流处理能力和机械性能更好。

在铜基体中加入碳纳米管（CNT），以提高导电性和机械性能，这并不是一个新想法。CNT因其重量轻、强度高和导电性能而成为绝佳的选择。但是，在以往的复合材料研究中，要么生成的材料长度非常短，只有微米或毫米，而且可扩展性有限，要么材料长度较长，但性能很差。

ORNL团队尝试用静电纺丝法沉积单壁CNT，这是一种商业上可行的方法，当液体喷射通过电场时可以产生纤维。研究人员Kai Li称，该技术可以控制沉积材料的结构和取向，在这种情况下，科学家可以成功地将碳纳米管定向至一个大致方向，以促进电流流动。接着，研究团队利用磁控溅射真空镀膜技术，在覆有CNT的铜带上添加了一层薄铜膜。然后，将样品置于真空炉中退火，形成均匀致密的铜层，从而产生高导电性Cu-CNT网状物，并使铜扩散至CNT基体中。

ORNL的科学家利用这种方法，制造出一种铜碳纳米管复合材料，长10厘米、宽4厘米，而且性能优异。研究人员还利用ORNL纳米材料科学中心（美国能源部科学用户设施办公室）的仪器，分析材料的微观结构特征。他们发现，与纯铜相比，该复合材料的电流容量提高了14%，机械性能提高了20%。该项目的首席研究员Tolga Aytug表示：“我们的目标是，通过将碳纳米管的所有优良特性嵌入到铜基体中，提高机械强度、减轻重量和提高电流容量。你将获得功耗更低、更好的导体，这反过来又提高了设备的效率和性能。例如，在先进的电机系统中，提高性能有助于减少体积，并增加功率密度。”

这项工作以ORNL丰富的超导研究历史为基础，已经生产出了可以低电阻导电的优良材料。该实验室的超导导线技术已授权给多家行业供应商，可实现高容量电力传输，同时将功耗降至最低。Aytug说，在新复合材料方面取得的突破，对电动机具有直接影响，同时在以效率、质量和尺寸为关键指标的应用中，可以提高电气化。他说，通过商业可行性技术来提升性能，有可能为各类电气系统和工业应用设计出先进导体。

ORNL团队还在探讨，如何使用双壁CNT和其它沉积技术，如超声喷涂涂层和辊对辊系统，生产约1米长的样品。ORNL电力驱动技术项目经理Burak Ozpineci指出：“电动机基本上是金属的组合，包括钢层压板和铜绕组。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，我们需要提升电动驱动的功率密度，并将电动机的体积减少8倍，因此需要提高材料性能。”