L'ajout d'une petite quantité de carbone solide au cuivre augmente sa conductivité

Un composé de carbone courant permet des améliorations remarquables des performances lorsqu'il est mélangé dans la bonne proportion avec du cuivre pour fabriquer des fils électriques. C'est un phénomène qui défie les idées reçues sur la façon dont les métaux conduisent l'électricité.

Les résultats, rapportés dans la revue Matériaux et conception, pourrait conduire à une distribution d’électricité plus efficace aux foyers et aux entreprises, ainsi qu’à des moteurs plus efficaces pour alimenter les véhicules électriques et les équipements industriels. L'équipe a déposé une demande de brevet pour ce travail, qui a été soutenu par le Bureau des matériaux avancés et des technologies de fabrication du Département de l'énergie (DOE).

La scientifique des matériaux Keerti Kappagantula et ses collègues du laboratoire national du nord-ouest du Pacifique du DOE ont découvert que le graphène, une couche unique du même graphite que l'on trouve dans les crayons, peut améliorer une propriété importante des métaux appelée coefficient de résistance thermique.

Cette propriété explique pourquoi les fils métalliques chauffent lorsqu’un courant électrique les traverse. Les chercheurs souhaitent réduire cette résistance tout en améliorant la capacité d'un métal à conduire l'électricité. Depuis plusieurs années, on se demande si la conductivité du métal peut être augmentée, notamment à haute température, en y ajoutant d'autres matériaux. Et si oui, ces composites peuvent-ils être viables à l’échelle commerciale ?

Aujourd’hui, ils ont démontré qu’ils pouvaient faire exactement cela, en utilisant une plate-forme de fabrication avancée brevetée par le PNNL appelée ShAPE.

Lorsque l’équipe de recherche a ajouté 18 parties par million de graphène au cuivre de qualité électrique, le coefficient de résistance thermique a diminué de 11 % sans diminuer la conductivité électrique à température ambiante. Cela est pertinent pour la fabrication de moteurs de véhicules électriques, où une augmentation de 11 % de la conductivité électrique des enroulements de fils de cuivre se traduit par un gain de 1 % du rendement du moteur.

“Cette découverte va à l'encontre de ce que l'on sait généralement sur le comportement des métaux en tant que conducteurs”, a déclaré Kappagantula. “En règle générale, l'introduction d'additifs dans un métal augmente son coefficient de résistance à la température, ce qui signifie qu'ils chauffent plus rapidement aux mêmes niveaux de courant que les métaux purs. Nous décrivons une propriété nouvelle et passionnante de ce composite métallique où nous observons une conductivité améliorée dans un matériau manufacturé. fil de cuivre.”

La microstructure est la clé de l'amélioration du graphène

Auparavant, l’équipe de recherche avait réalisé des études informatiques détaillées basées sur la physique et la structure pour expliquer le phénomène d’amélioration de la conductivité électrique des métaux à l’aide du graphène.

Dans cette étude, ils ont montré que le traitement en phase solide utilisé pour extruder le fil composite conduit à une microstructure uniforme, presque sans pores, ponctuée de minuscules flocons et amas de graphène pouvant être responsables de la diminution du coefficient de résistance du composite.

“Nous avons montré que des flocons et des amas doivent tous deux être présents pour constituer de meilleurs conducteurs pour les opérations à haute température”, a déclaré Kappagantula.

Les co-auteurs Bharat Gwalani, Xiao Li et Aditya Nittala ont profité d'un banc d'essai conçu par le PNNL qui mesure les propriétés électriques avec une grande précision et exactitude pour valider l'amélioration de la conductivité, comme en témoigne l'analyse expérimentale détaillée de l'équipe. Li et Md. Reza-E-Rabby ont développé l'outillage et les enveloppes de processus pour le processus d'extrusion par friction en phase solide qui a conduit au brevet.

Vers des moteurs et un câblage en cuivre plus efficaces pour les bâtiments urbains

Selon l'équipe de recherche, lorsqu'ils sont appliqués à n'importe quelle application industrielle, les nouveaux fils composites cuivre-graphène offriront une grande flexibilité de conception.

“Partout où il y a de l'électricité, nous avons un cas d'utilisation”, a déclaré Kappagantula.

Par exemple, des fils de cuivre enroulés sont utilisés dans le cœur des moteurs et des générateurs électriques. Les moteurs d’aujourd’hui sont conçus pour fonctionner dans une plage de températures limitée, car lorsqu’ils deviennent trop chauds, la conductivité électrique chute considérablement. Avec le nouveau composite cuivre-graphène, les moteurs pourraient potentiellement fonctionner à des températures plus élevées sans perdre en conductivité.

De même, le câblage qui amène l’électricité des lignes de transport aux maisons et aux entreprises est généralement en cuivre. À mesure que la densité de population des villes augmente, la demande d’électricité suit également. Un fil composite plus conducteur pourrait potentiellement contribuer à répondre à cette demande en réalisant des économies d’efficacité.

“Cette technologie constitue une excellente solution pour le câblage en cuivre dans les environnements urbains à haute densité”, a ajouté Kappagantula.

L'équipe de recherche poursuit ses travaux pour personnaliser le matériau cuivre-graphène et mesurer d'autres propriétés essentielles, telles que la résistance, la fatigue, la corrosion et l'usure, qui sont cruciales pour qualifier ces matériaux pour des applications industrielles. Pour ces expériences, l’équipe de recherche fabrique des fils de l’épaisseur d’un centime américain (1,5 millimètres).