Znanstveniki iz nacionalnega laboratorija Oak Ridge so z novimi tehnikami ustvarili kompozit, ki povečuje električno zmogljivost bakrenih žic in tako zagotovili popolnoma nov material, ki ga je mogoče prilagoditi za uporabo v izjemno učinkovitih, močnih pogonskih motorjih električnih vozil.
Cilj raziskave je zmanjšati ovire za širše sprejemanje električnih vozil, vključno z zmanjšanjem stroškov lastništva ter izboljšanjem zmogljivosti in življenjske dobe komponent, kot so elektromotorji in močnostna elektronika. Material je mogoče uporabiti v kateri koli komponenti, ki uporablja baker, vključno z učinkovitejšimi napajalnimi vodili in manjšimi spojniki za pogonske pretvornike električnih vozil, pa tudi za druge aplikacije, kot so brezžični in žični polnilni sistemi.
Za izdelavo lažjega prevodnega materiala z izboljšanimi zmogljivostmi so raziskovalci ORNL na ravno bakreno podlago razporedili in poravnali ogljikove nanocevke, rezultat pa je bil kompozitni material s kovinsko matrico z boljšo tokovno zmogljivostjo in boljšimi mehanskimi lastnostmi, kot jih ima sam baker.
Dodajanje ogljikovih nanocevk ali CNT v bakreno matrico za izboljšanje prevodnosti in mehanskih lastnosti ni nova ideja. CNT-ji so odlična izbira zaradi manjše teže, izredne trdnosti in odličnih prevodnih lastnosti. V preteklih poskusih izdelave takih kompozitov je drugim raziskovalcem to uspelo le pri zelo majhnih dolžinah takega materiala, v območju mikrometrov ali milimetrov, pri tem pa z močno omejeno možnostjo povečevanja ali pa so se taki materiali pri večjih dolžinah slabše obnesli.
Ekipa ORNL se je odločila, da bo eksperimentirala z nanašanjem enostenskih CNT z uporabo elektro-spinninga, komercialno izvedljive metode, ki vlakna ustvarja kot curek tekočine, ki drvi skozi električno polje. Tehnika zagotavlja nadzor nad strukturo in usmerjenostjo tako naloženih materialov, je pojasnil Kai Li, podoktorski raziskovalec v oddelku za kemijske znanosti na ORNL. V tem primeru je postopek znanstvenikom omogočil, da so vse CNT uspešno usmerili v isto smer, s čimer so olajšali pretok električne energije.
Zatem je ekipa uporabila magnetronsko brizganje, tehniko vakuumskega nanašanja, da je na bakrene trakove, prevlečene s CNT, dodala tanke plasti bakrenega filma. Nato so prevlečene vzorce žarili v vakuumski peči, s tem pa dobili visoko prevodno Cu-CNT mrežo z oblikovanjem goste, enakomerne bakrene plasti in omogočili difuzijo bakra v CNT matriko.
Z uporabo te metode so znanstveniki na ORNL ustvarili kompozitni material bakreno-ogljikovih nanocevk, dolgo 10 in široko 4 centimetre, z izjemnimi lastnostmi. Mikrostrukturne lastnosti materiala so bile analizirane z instrumenti v Centru za nanofazne znanosti materialov pri ORNL in uporabniškem uradu ameriškega ministrstva za energijo. Raziskovalci so ugotovili, da je kompozit dosegel 14% večjo tokovno zmogljivost in imel hkrati do 20% izboljšane mehanske lastnosti v primerjavi s čistim bakrom, kot je podrobno opisano v reviji ACS Applied Nano Materials.
Tolga Aytug, vodilni raziskovalec v tem projektu, je povedal, da “z vgradnjo vseh odličnih lastnosti ogljikovih nanocevk v bakreno matriko stremimo k boljši mehanski trdnosti, manjši teži in večji tokovni zmogljivosti. S takšnim materialom lahko izdelate boljše prevodnike z manj izgubne moči, kar posledično poveča učinkovitost in zmogljivost naprave. Izboljšana zmogljivost na primer pomeni, da lahko v naprednih motornih sistemih zmanjšamo prostornino in povečamo gostoto moči.”
Delo temelji na bogati zgodovini raziskav superprevodnosti pri ORNL, kjer so že izdelali vrhunske materiale za prevajanje električne energije z nizko upornostjo. Laboratorijska tehnologija superprevodne žice je bila licencirana za več industrijskih dobaviteljev, kar je omogočilo njihovo uporabo, na primer prenos električne energije z visoko zmogljivostjo ob minimalnih močnostnih izgubah.
Aytug je dejal, da ima preboj novega kompozitnega materiala neposreden vpliv na elektromotorje, lahko pa izboljša tudi elektrifikacijo v tistih aplikacijah, kjer so učinkovitost, masa in velikost ključna merila. »Izboljšane lastnosti delovanja, dosežene s komercialno izvedljivimi tehnikami, pomenijo nove možnosti za načrtovanje naprednih vodnikov za širok spekter električnih sistemov in industrijskih aplikacij,« je dejal.
Ekipa ORNL raziskuje tudi uporabo dvostenskih CNT-jev in še drugih tehnik nanašanja, kot je ultrazvočno nanašanje z brizganjem v kombinaciji s sistemom roll-to-roll za izdelavo vzorcev dolžine približno 1 metra.
“Elektromotorji so v bistvu kombinacija kovin – jeklenih laminatov in bakrenih navitij,” je poudaril Burak Ozpineci, vodja programa ORNL Electric Drive Technologies in vodja skupine Power Electronics and Electric Machinery. “Da bi izpolnili prizadevanja in cilje DOE’s Vehicle Technologies Office do leta 2025 glede električnih vozil, moramo povečati gostoto moči električnih pogonov in zmanjšati velikost motorjev za 8-krat, kar pomeni, da je potrebno izboljšati lastnosti materialov.”
Vir: Stephanie G Seay, Oak Ridge National Laboratory
Vir: https://phys.org/news/2020-09-composite-material-revs-pursuit-advanced.html
