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大电流、高机械性能——新型复合材料有望大幅减小电机尺寸

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  • 发布时间:2020-10-26 14:08
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【概要描述】首席研究员Tolga Aytug表示:“碳纳米管的所有优良特性将嵌入到铜基体中,我们的目标将是提高机械强度,减轻重量和提高电流容量。最终目标是得到更好的导体和更少的功率损耗,从而提高了设备的效率和性能。例如,性能的改善意味着我们可以减小体积并提高先进电机系统的功率密度。”

大电流、高机械性能——新型复合材料有望大幅减小电机尺寸

【概要描述】首席研究员Tolga Aytug表示:“碳纳米管的所有优良特性将嵌入到铜基体中,我们的目标将是提高机械强度,减轻重量和提高电流容量。最终目标是得到更好的导体和更少的功率损耗,从而提高了设备的效率和性能。例如,性能的改善意味着我们可以减小体积并提高先进电机系统的功率密度。”

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ORNL研究人员利用新技术制造出一种长度较长的复合铜碳纳米管材料,其性能得到提升,可用于电动汽车牵引电机。

美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,简称ORNL)的科学家利用新技术,制造出一种能够增加铜线电流容量的复合材料,从而提供了一种可用于超高效、功率密度高的电动车辆牵引电动机的新材料。

该研究旨在广泛地减少电动汽车普及过程中的壁垒,包括降低使用成本,改善电动机和电力电子设备等组件的性能和寿命。该材料可以应用在任何用到铜的零部件中,包括用于电动汽车牵引逆变器中用的更高效的总线和小型连接器,以及无线和有线充电系统等应用。

为生产更轻、性能更佳的导电材料,ORNL研究人员在平整的铜基板上沉积了排列整齐的碳纳米管,从而形成了一种金属基质复合材料,其电流处理能力和机械性能均比铜材料本身更好。

将碳纳米管(CCT)整合到铜基质中,以提高导电性和机械性能并不是一个新想法。碳纳米管因其重量轻、强度高和导电性能强,成为极好的导电材料选择。但是在过去,研究人员对碳纳米管复合材料的研究被限制在尺寸上,只能生成范围在微米或毫米间的复合材料,其可扩展性也有限,或者增加材料长度性能就下降很厉害。

ORNL团队决定尝试静电纺丝法(electrospinning)沉积单壁纳米管,即用原料液体喷射通过电场的方法来生成复合材料纤维,这是一种操作性很强的方法。ORNL化学科学系博士后研究员李凯(音)解释说,该技术可以控制沉积材料的结构和方向。在这种情况下,科学家能够成功地将碳纳米管规整到统一的方向,以增强电流流动性能。

接着,研究小组使用磁控溅射这一种真空镀膜技术,在碳纳米管镀铜铜带的顶部添加了一层铜薄膜。然后涂层样品在真空炉中退火,形成致密、均匀的铜层,从而产生高导电的铜碳纳米管网络,使铜扩散到碳纳米管基质中。

利用这种方法,ORNL研究人员生成了一种长10厘米、宽4厘米,具有特殊性能的铜碳纳米管复合材料。他们使用美国能源部科学技术办公室科学中心用户设施的仪器,分析了材料的微观结构特性。

研究人员发现,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%,如《ACS应用纳米材料》中详述的。

该项目的首席研究员Tolga Aytug表示:“碳纳米管的所有优良特性将嵌入到铜基体中,我们的目标将是提高机械强度,减轻重量和提高电流容量。最终目标是得到更好的导体和更少的功率损耗,从而提高了设备的效率和性能。例如,性能的改善意味着我们可以减小体积并提高先进电机系统的功率密度。”

这项工作建立在ORNL丰富的超导研究经验基础上,该研究已经开发出多种低电阻导电的优良材料。该实验室的超导线技术已授权给工业界多家公司,可实现高容量电力传输,同时将功率损耗降至最低。

Aytug说,虽然新的复合材料突破对电动机有直接影响,但在效率、质量和尺寸这些为关键指标的应用中,它可以提高系统的电气化。他说,通过商业上可行的技术来实现改进性能特征,意味着为设计适用于各种电气系统和工业应用的高级导体提供了新的可能性。

ORNL团队仍在探索使用双壁碳纳米管和其他沉积技术,如超声喷涂涂层和辊对辊系统,以生产长度到1米的复合材料。

ORNL电力驱动技术项目经理、电力电子和电机集团负责人Burak Ozpineci指出,电动机主要是由各种金属构成的,即钢叠片与铜绕组的组合。为了实现美国能源部汽车技术办公室2025年电动汽车的目标和目标,我们需要提高电力驱动的功率密度,从而将电机的体积缩为当前的八分之一,这意味着要用性能更优异的材料来实现。

 

来源:电机技术及应用

 

 

 

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