Cientistas do Oak Ridge National Laboratory usaram novas técnicas para criar um composto que aumenta a capacidade de corrente elétrica dos fios de cobre, fornecendo um novo material que pode ser dimensionado para uso em ultra-eficiente, motores de tração de veículos elétricos com alta potência.

A pesquisa visa reduzir as barreiras para uma adoção mais ampla de veículos elétricos, incluindo cortar o custo de propriedade e melhorar o desempenho e a vida útil de componentes como motores elétricos e eletrônicos de potência. O material pode ser implantado em qualquer componente que use cobre, incluindo barramentos mais eficientes e conectores menores para inversores de tração de veículos elétricos, bem como para aplicações como sistemas de carregamento sem fio e com fio.

Para produzir um material condutor mais leve com desempenho aprimorado, Os pesquisadores do ORNL depositaram e alinharam nanotubos de carbono em substratos planos de cobre, resultando em um material compósito com matriz de metal com melhor capacidade de manuseio de corrente e propriedades mecânicas do que o cobre sozinho.

Incorporando nanotubos de carbono, ou CNTs, em uma matriz de cobre para melhorar a condutividade e o desempenho mecânico não é uma ideia nova. Os CNTs são uma escolha excelente devido ao seu peso mais leve, força extraordinária e propriedades condutoras. Mas as tentativas anteriores de compósitos por outros pesquisadores resultaram em comprimentos de material muito curtos, apenas micrômetros ou milímetros, junto com escalabilidade limitada, ou em comprimentos mais longos que tiveram um desempenho ruim.

A equipe ORNL decidiu experimentar depositar CNTs de parede única usando eletrofiação, um método comercialmente viável que cria fibras à medida que um jato de líquido passa por um campo elétrico. A técnica fornece controle sobre a estrutura e orientação dos materiais depositados, explicou Kai Li, um pesquisador de pós-doutorado na Divisão de Ciências Químicas do ORNL. Nesse caso, o processo permitiu aos cientistas orientar com sucesso os CNTs em uma direção geral para facilitar o fluxo aprimorado de eletricidade.

A equipe então usou a pulverização catódica de magnetron, uma técnica de revestimento a vácuo, para adicionar camadas finas de filme de cobre no topo das fitas de cobre revestidas com CNT. As amostras revestidas foram então recozidas em um forno a vácuo para produzir uma rede Cu-CNT altamente condutora, formando um denso, camada de cobre uniforme e para permitir a difusão do cobre na matriz CNT.

Usando este método, Os cientistas do ORNL criaram um composto de nanotubo de cobre e carbono com 10 centímetros de comprimento e 4 centímetros de largura, com propriedades excepcionais. As propriedades microestruturais do material foram analisadas usando instrumentos do Center for Nanophase Materials Sciences em ORNL, uma instalação de usuário do Departamento de Energia do Departamento de Ciência dos EUA. Os pesquisadores descobriram que o composto atingiu a capacidade atual 14% maior, com propriedades mecânicas aprimoradas em até 20% em comparação com cobre puro, como detalhado em Nanomateriais aplicados ACS .

Tolga Aytug, investigador principal do projeto, disse que "incorporando todas as grandes propriedades dos nanotubos de carbono em uma matriz de cobre, buscamos uma melhor resistência mecânica, peso mais leve e maior capacidade de corrente. Então você obtém um condutor melhor com menos perda de energia, o que, por sua vez, aumenta a eficiência e o desempenho do dispositivo. Performance melhorada, por exemplo, significa que podemos reduzir o volume e aumentar a densidade de potência em sistemas de motores avançados. "

O trabalho se baseia em uma rica história de pesquisa de supercondutividade no ORNL, que produziu materiais superiores para conduzir eletricidade com baixa resistência. A tecnologia de fio supercondutor do laboratório foi licenciada para vários fornecedores da indústria, permitindo usos como transmissão elétrica de alta capacidade com perdas mínimas de energia.

Embora o novo avanço composto tenha implicações diretas para motores elétricos, também pode melhorar a eletrificação em aplicações onde a eficiência, massa e tamanho são uma métrica chave, Aytug disse. As características de desempenho aprimoradas, realizado com técnicas comercialmente viáveis, significa novas possibilidades para projetar condutores avançados para uma ampla gama de sistemas elétricos e aplicações industriais, ele disse.

A equipe ORNL também está explorando o uso de CNTs de parede dupla e outras técnicas de deposição, como revestimento por spray ultrassônico acoplado a um sistema roll-to-roll para produzir amostras de cerca de 1 metro de comprimento.

"Os motores elétricos são basicamente uma combinação de metais - laminações de aço e enrolamentos de cobre, "observou Burak Ozpineci, gerente do programa ORNL Electric Drive Technologies e líder do grupo Power Electronics and Electric Machinery. "Para atender às metas e objetivos de veículos elétricos do DOE Vehicle Technologies Office para 2025, precisamos aumentar a densidade de potência do acionamento elétrico e reduzir o volume dos motores em 8 vezes, e isso significa melhorar as propriedades do material. "