Les scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge ont utilisé de nouvelles techniques pour créer un composite qui augmente la capacité de courant électrique des fils de cuivre, fournir un nouveau matériau qui peut être mis à l'échelle pour une utilisation ultra-efficace, moteurs de traction de véhicules électriques à forte densité de puissance.

La recherche vise à réduire les obstacles à une adoption plus large des véhicules électriques, y compris la réduction du coût de possession et l'amélioration des performances et de la durée de vie des composants tels que les moteurs électriques et l'électronique de puissance. Le matériau peut être déployé dans n'importe quel composant utilisant du cuivre, y compris des barres omnibus plus efficaces et des connecteurs plus petits pour les onduleurs de traction de véhicules électriques, ainsi que pour des applications telles que les systèmes de charge sans fil et filaires.

Pour produire un matériau conducteur plus léger avec des performances améliorées, Les chercheurs de l'ORNL ont déposé et aligné des nanotubes de carbone sur des substrats plats de cuivre, résultant en un matériau composite à matrice métallique avec une meilleure capacité de traitement du courant et des propriétés mécaniques que le cuivre seul.

Incorporant des nanotubes de carbone, ou CNT, dans une matrice de cuivre pour améliorer la conductivité et les performances mécaniques n'est pas une idée nouvelle. Les NTC sont un excellent choix en raison de leur poids plus léger, force extraordinaire et propriétés conductrices. Mais les tentatives passées de composites par d'autres chercheurs ont abouti à des longueurs de matériaux très courtes, seulement des micromètres ou des millimètres, avec une évolutivité limitée, ou dans des longueurs plus longues qui ont mal performé.

L'équipe de l'ORNL a décidé d'expérimenter le dépôt de NTC monoparoi par électrofilage, une méthode commercialement viable qui crée des fibres sous la forme d'un jet de liquide qui traverse un champ électrique. La technique permet de contrôler la structure et l'orientation des matériaux déposés, a expliqué Kai Li, chercheur postdoctoral à la Division des sciences chimiques de l'ORNL. Dans ce cas, le processus a permis aux scientifiques d'orienter avec succès les NTC dans une direction générale pour faciliter un flux d'électricité amélioré.

L'équipe a ensuite utilisé la pulvérisation cathodique magnétron, une technique de revêtement sous vide, pour ajouter de fines couches de film de cuivre sur les bandes de cuivre enduites de CNT. Les échantillons revêtus ont ensuite été recuits dans un four sous vide pour produire un réseau Cu-CNT hautement conducteur en formant un couche de cuivre uniforme et de permettre la diffusion du cuivre dans la matrice des NTC.

En utilisant cette méthode, Les scientifiques de l'ORNL ont créé un composite de nanotubes de cuivre-carbone de 10 centimètres de long et 4 centimètres de large, aux propriétés exceptionnelles. Les propriétés microstructurales du matériau ont été analysées à l'aide d'instruments du Center for Nanophase Materials Sciences de l'ORNL, une installation utilisateur de l'Office of Science du département de l'Énergie des États-Unis. Les chercheurs ont découvert que le composite atteignait une capacité actuelle supérieure de 14 %, avec des propriétés mécaniques jusqu'à 20 % améliorées par rapport au cuivre pur, comme détaillé dans ACS nanomatériaux appliqués .

Tolga Aytug, chercheur principal pour le projet, a déclaré qu'"en incorporant toutes les grandes propriétés des nanotubes de carbone dans une matrice de cuivre, nous visons une meilleure résistance mécanique, poids plus léger et capacité de courant plus élevée. Ensuite, vous obtenez un meilleur conducteur avec moins de perte de puissance, ce qui à son tour augmente l'efficacité et les performances de l'appareil. Performance améliorée, par exemple, signifie que nous pouvons réduire le volume et augmenter la densité de puissance dans les systèmes de moteur avancés."

Le travail s'appuie sur une riche histoire de la recherche en supraconductivité à l'ORNL, qui a produit des matériaux supérieurs pour conduire l'électricité avec une faible résistance. La technologie des fils supraconducteurs du laboratoire a été concédée sous licence à plusieurs fournisseurs de l'industrie, permettant des utilisations telles que la transmission électrique à haute capacité avec des pertes de puissance minimales.

Alors que la nouvelle percée des composites a des implications directes pour les moteurs électriques, cela pourrait également améliorer l'électrification dans les applications où l'efficacité, la masse et la taille sont une métrique clé, a dit Aytug. Les caractéristiques de performance améliorées, réalisé avec des techniques commercialement viables, signifie de nouvelles possibilités de conception de conducteurs avancés pour une large gamme de systèmes électriques et d'applications industrielles, il a dit.

L'équipe de l'ORNL explore également l'utilisation de NTC à double paroi et d'autres techniques de dépôt telles que le revêtement par pulvérisation par ultrasons couplé à un système rouleau à rouleau pour produire des échantillons d'environ 1 mètre de long.

"Les moteurs électriques sont essentiellement une combinaison de métaux - tôles d'acier et enroulements de cuivre, " a noté Burak Ozpineci, directeur du programme ORNL Electric Drive Technologies et leader du groupe Power Electronics and Electric Machinery. « Pour atteindre les objectifs et les objectifs de véhicules électriques 2025 du Vehicle Technologies Office du DOE, nous devons augmenter la densité de puissance de l'entraînement électrique et réduire le volume des moteurs de 8 fois, et cela signifie améliorer les propriétés des matériaux."