來源︱Stephanie G Seay
編譯︱朵啦
美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，簡稱ORNL）的科學家利用新技術，製造出一種能夠增加銅線電流容量的複合材料，從而提供了一種可用於超高效、功率密度高的電動車輛牽引電動機的新材料。
該研究旨在廣泛地減少電動汽車普及過程中的壁壘，包括降低使用成本，改善電動機和電力電子設備等組件的性能和壽命。該材料可以應用在任何用到銅的零部件中，包括用於電動汽車牽引逆變器中用的更高效的總線和小型連接器，以及無線和有線充電系統等應用。
為生產更輕、性能更佳的導電材料，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複合材料，其電流處理能力和機械性能均比銅材料本身更好。
將碳納米管（CCT）整合到銅基質中，以提高導電性和機械性能並不是一個新想法。碳納米管因其重量輕、強度高和導電性能強，成為極好的導電材料選擇。但是在過去，研究人員對碳納米管複合材料的研究被限制在尺寸上，只能生成範圍在微米或毫米間的複合材料，其可擴展性也有限，或者增加材料長度性能就下降很厲害。
ORNL團隊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電場的方法來生成複合材料纖維，這是一種操作性很強的方法。ORNL化學科學系博士後研究員李凱（音）解釋說，該技術可以控制沉積材料的結構和方向。在這種情況下，科學家能夠成功地將碳納米管規整到統一的方向，以增強電流流動性能。
接著，研究小組使用磁控濺射這一種真空鍍膜技術，在碳納米管鍍銅銅帶的頂部添加了一層銅薄膜。然後塗層樣品在真空爐中退火，形成緻密、均勻的銅層，從而產生高導電的銅碳納米管網絡，使銅擴散到碳納米管基質中。
利用這種方法，ORNL研究人員生成了一種長10釐米、寬4釐米，具有特殊性能的銅碳納米管複合材料。他們使用美國能源部科學技術辦公室科學中心用戶設施的儀器，分析了材料的微觀結構特性。
研究人員發現，與純銅相比，該複合材料的電流容量提高了14%，機械性能提高了20%，如《ACS應用納米材料》中詳述的。
該項目的首席研究員Tolga Aytug表示：“碳納米管的所有優良特性將嵌入到銅基體中，我們的目標將是提高機械強度，減輕重量和提高電流容量。最終目標是得到更好的導體和更少的功率損耗，從而提高了設備的效率和性能。例如，性能的改善意味著我們可以減小體積並提高先進電機系統的功率密度。”
這項工作建立在ORNL豐富的超導研究經驗基礎上，該研究已經開發出多種低電阻導電的優良材料。該實驗室的超導線技術已授權給工業界多家公司，可實現高容量電力傳輸，同時將功率損耗降至最低。
Aytug說，雖然新的複合材料突破對電動機有直接影響，但在效率、質量和尺寸這些為關鍵指標的應用中，它可以提高系統的電氣化。他說，通過商業上可行的技術來實現改進性能特徵，意味著為設計適用於各種電氣系統和工業應用的高級導體提供了新的可能性。
ORNL團隊仍在探索使用雙壁碳納米管和其他沉積技術，如超聲噴塗塗層和輥對輥系統，以生產長度到1米的複合材料。
ORNL電力驅動技術項目經理、電力電子和電機集團負責人Burak Ozpineci指出，電動機主要是由各種金屬構成的，即鋼疊片與銅繞組的組合。為了實現美國能源部汽車技術辦公室2025年電動汽車的目標和目標，我們需要提高電力驅動的功率密度，從而將電機的體積縮為當前的八分之一，這意味著要用性能更優異的材料來實現。
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