新型復(fù)合材料可以減少電機(jī)的尺寸

ORNL研究人員利用新技術(shù)制造出一種長(zhǎng)度較長(zhǎng)的復(fù)合銅碳納米管材料，其性能得到提升，可用于電動(dòng)汽車牽引電機(jī)。

美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory，簡(jiǎn)稱ORNL）的科學(xué)家利用新技術(shù)，制造出一種能夠增加銅線電流容量的復(fù)合材料，從而提供了一種可用于超高效、功率密度高的電動(dòng)車輛牽引電動(dòng)機(jī)的新材料。

該研究旨在廣泛地減少電動(dòng)汽車普及過(guò)程中的壁壘，包括降低使用成本，改善電動(dòng)機(jī)和電力電子設(shè)備等組件的性能和壽命。該材料可以應(yīng)用在任何用到銅的零部件中，包括用于電動(dòng)汽車牽引逆變器中用的更高效的總線和小型連接器，以及無(wú)線和有線充電系統(tǒng)等應(yīng)用。

為生產(chǎn)更輕、性能更佳的導(dǎo)電材料，ORNL研究人員在平整的銅基板上沉積了排列整齊的碳納米管，從而形成了一種金屬基質(zhì)復(fù)合材料，其電流處理能力和機(jī)械性能均比銅材料本身更好。

將碳納米管（CCT）整合到銅基質(zhì)中，以提高導(dǎo)電性和機(jī)械性能并不是一個(gè)新想法。碳納米管因其重量輕、強(qiáng)度高和導(dǎo)電性能強(qiáng)，成為極好的導(dǎo)電材料選擇。但是在過(guò)去，研究人員對(duì)碳納米管復(fù)合材料的研究被限制在尺寸上，只能生成范圍在微米或毫米間的復(fù)合材料，其可擴(kuò)展性也有限，或者增加材料長(zhǎng)度性能就下降很厲害。

ORNL團(tuán)隊(duì)決定嘗試靜電紡絲法（electrospinning）沉積單壁納米管，即用原料液體噴射通過(guò)電場(chǎng)的方法來(lái)生成復(fù)合材料纖維，這是一種操作性很強(qiáng)的方法。ORNL化學(xué)科學(xué)系博士后研究員李凱（音）解釋說(shuō)，該技術(shù)可以控制沉積材料的結(jié)構(gòu)和方向。在這種情況下，科學(xué)家能夠成功地將碳納米管規(guī)整到統(tǒng)一的方向，以增強(qiáng)電流流動(dòng)性能。

接著，研究小組使用磁控濺射這一種真空鍍膜技術(shù)，在碳納米管鍍銅銅帶的頂部添加了一層銅薄膜。然后涂層樣品在真空爐中退火，形成致密、均勻的銅層，從而產(chǎn)生高導(dǎo)電的銅碳納米管網(wǎng)絡(luò)，使銅擴(kuò)散到碳納米管基質(zhì)中。

利用這種方法，ORNL研究人員生成了一種長(zhǎng)10厘米、寬4厘米，具有特殊性能的銅碳納米管復(fù)合材料。他們使用美國(guó)能源部科學(xué)技術(shù)辦公室科學(xué)中心用戶設(shè)施的儀器，分析了材料的微觀結(jié)構(gòu)特性。

研究人員發(fā)現(xiàn)，與純銅相比，該復(fù)合材料的電流容量提高了14%，機(jī)械性能提高了20%，如《ACS應(yīng)用納米材料》中詳述的。

該項(xiàng)目的首席研究員Tolga Aytug表示：“碳納米管的所有優(yōu)良特性將嵌入到銅基體中，我們的目標(biāo)將是提高機(jī)械強(qiáng)度，減輕重量和提高電流容量。最終目標(biāo)是得到更好的導(dǎo)體和更少的功率損耗，從而提高了設(shè)備的效率和性能。例如，性能的改善意味著我們可以減小體積并提高先進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的功率密度?！?/p>

這項(xiàng)工作建立在ORNL豐富的超導(dǎo)研究經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，該研究已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種低電阻導(dǎo)電的優(yōu)良材料。該實(shí)驗(yàn)室的超導(dǎo)線技術(shù)已授權(quán)給工業(yè)界多家公司，可實(shí)現(xiàn)高容量電力傳輸，同時(shí)將功率損耗降至最低。

Aytug說(shuō)，雖然新的復(fù)合材料突破對(duì)電動(dòng)機(jī)有直接影響，但在效率、質(zhì)量和尺寸這些為關(guān)鍵指標(biāo)的應(yīng)用中，它可以提高系統(tǒng)的電氣化。他說(shuō)，通過(guò)商業(yè)上可行的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)性能特征，意味著為設(shè)計(jì)適用于各種電氣系統(tǒng)和工業(yè)應(yīng)用的高級(jí)導(dǎo)體提供了新的可能性。

ORNL團(tuán)隊(duì)仍在探索使用雙壁碳納米管和其他沉積技術(shù)，如超聲噴涂涂層和輥對(duì)輥系統(tǒng)，以生產(chǎn)長(zhǎng)度到1米的復(fù)合材料。

ORNL電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)項(xiàng)目經(jīng)理、電力電子和電機(jī)集團(tuán)負(fù)責(zé)人Burak Ozpineci指出，電動(dòng)機(jī)主要是由各種金屬構(gòu)成的，即鋼疊片與銅繞組的組合。為了實(shí)現(xiàn)美國(guó)能源部汽車技術(shù)辦公室2025年電動(dòng)汽車的目標(biāo)和目標(biāo)，我們需要提高電力驅(qū)動(dòng)的功率密度，從而將電機(jī)的體積縮為當(dāng)前的八分之一，這意味著要用性能更優(yōu)異的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。
責(zé)任編輯人：CC