Un comune composto di carbonio consente notevoli miglioramenti delle prestazioni se miscelato nella giusta proporzione con il rame per realizzare cavi elettrici. È un fenomeno che sfida la saggezza convenzionale su come i metalli conducono l'elettricità.
I risultati, riportati nella rivista Materials &Design , potrebbe portare a una distribuzione più efficiente dell’elettricità nelle case e nelle imprese, nonché a motori più efficienti per alimentare veicoli elettrici e attrezzature industriali. Il team ha richiesto un brevetto per il lavoro, che è stato sostenuto dall'Ufficio per i materiali avanzati e le tecnologie di produzione del Dipartimento dell'Energia (DOE).
La scienziata dei materiali Keerti Kappagantula e i suoi colleghi del Pacific Northwest National Laboratory del DOE hanno scoperto che il grafene, singoli strati della stessa grafite che si trova nelle matite, può migliorare un'importante proprietà dei metalli chiamata coefficiente di resistenza alla temperatura.
Questa proprietà spiega perché i fili metallici si surriscaldano quando vengono attraversati da corrente elettrica. I ricercatori vogliono ridurre questa resistenza migliorando al tempo stesso la capacità del metallo di condurre elettricità. Da diversi anni ci si chiede se sia possibile aumentare la conduttività del metallo, soprattutto alle alte temperature, aggiungendovi altri materiali. E se sì, questi compositi possono essere realizzabili su scala commerciale?
Ora hanno dimostrato di poter fare proprio questo, utilizzando una piattaforma di produzione avanzata brevettata da PNNL chiamata ShAPE.
Quando il gruppo di ricerca ha aggiunto 18 parti per milione di grafene al rame di grado elettrico, il coefficiente di resistenza alla temperatura è diminuito dell’11% senza diminuire la conduttività elettrica a temperatura ambiente. Ciò è rilevante per la produzione di motori per veicoli elettrici, dove un aumento dell'11% nella conduttività elettrica dell'avvolgimento del filo di rame si traduce in un aumento dell'1% nell'efficienza del motore.
"Questa scoperta va contro ciò che è generalmente noto sul comportamento dei metalli come conduttori", ha detto Kappagantula. "In genere, l'introduzione di additivi in un metallo aumenta il suo coefficiente di temperatura di resistenza, il che significa che si riscalda più velocemente agli stessi livelli di corrente rispetto ai metalli puri. Stiamo descrivendo una nuova ed entusiasmante proprietà di questo composito metallico in cui osserviamo una maggiore conduttività in un manufatto filo di rame."
In precedenza, il team di ricerca ha eseguito studi computazionali dettagliati strutturali e basati sulla fisica per spiegare il fenomeno del miglioramento della conduttività elettrica dei metalli utilizzando il grafene.
In questo studio, hanno dimostrato che la lavorazione in fase solida utilizzata per estrudere il filo composito porta a una microstruttura uniforme, quasi priva di pori, punteggiata da minuscole scaglie e ammassi di grafene che potrebbero essere responsabili della diminuzione del coefficiente di resistenza del composito. /P>
"Abbiamo dimostrato che scaglie e cluster devono essere entrambi presenti per creare conduttori migliori per le operazioni ad alta temperatura", ha affermato Kappagantula.
I coautori Bharat Gwalani, Xiao Li e Aditya Nittala hanno approfittato di un banco di prova progettato dal PNNL che misura le proprietà elettriche con elevata precisione e accuratezza per convalidare la migliore conduttività, come riflesso nell'analisi sperimentale dettagliata del team. Li e Md. Reza-E-Rabby hanno sviluppato gli strumenti e gli involucri di processo per il processo di estrusione per attrito in fase solida che ha portato al brevetto.
Secondo il team di ricerca, se applicati a qualsiasi applicazione industriale, i nuovi fili compositi in rame-grafene forniranno una grande flessibilità di progettazione.
"Ovunque ci sia elettricità, abbiamo un caso d'uso", ha affermato Kappagantula.
Ad esempio, i fili di rame a spirale vengono utilizzati nel nucleo di motori elettrici e generatori. I motori odierni sono progettati per funzionare entro un intervallo di temperature limitato perché quando diventano troppo caldi, la conduttività elettrica diminuisce drasticamente. Con il nuovo composito rame-grafene, i motori potrebbero potenzialmente funzionare a temperature più elevate senza perdere conduttività.
Allo stesso modo, il cablaggio che porta l’elettricità dalle linee di trasmissione alle case e alle aziende è generalmente realizzato in rame. Con l’aumento della densità di popolazione delle città, la domanda di energia segue l’esempio. Un filo composito più conduttivo potrebbe potenzialmente contribuire a soddisfare tale domanda con un risparmio in termini di efficienza.
"Questa tecnologia è un'ottima soluzione per i cavi in rame in contesti urbani ad alta densità", ha aggiunto Kappagantula.
Il team di ricerca continua il suo lavoro per personalizzare il materiale rame-grafene e misurare altre proprietà essenziali, come resistenza, fatica, corrosione e resistenza all’usura, che sono cruciali per qualificare tali materiali per applicazioni industriali. Per questi esperimenti, il gruppo di ricerca produce fili dello spessore di un centesimo americano (1,5 millimetri).
Ulteriori informazioni: Bharat Gwalani et al, Prestazioni elettriche senza precedenti dei compositi rame-grafene estrusi per attrito, Materiali e design (2023). DOI:10.1016/j.matdes.2023.112555
Fornito dal Pacific Northwest National Laboratory
