Домішка вуглецю різко поліпшила електропровідність міді
Дослідники зі США виявили, що якщо змішати потрібну кількість графену з міддю, можна знизити втрату електричної провідності цього матеріалу за підвищених температур. Американські вчені сподіваються, що їхнє відкриття зробить розподіл електроенергії в будинках і на підприємствах ефективнішим, а також підвищить ККД двигунів для електромобілів і промислового обладнання.
Багато металів – хороші провідники електричного струму. У різних металів різна електропровідність. Найкраща – у срібла, міді, золота, алюмінію. Найгіршу електропровідність серед металів має марганець.
Однак, коли метал піддається впливу високих температур, його електрична провідність зменшується. Найімовірніше, причина тому – збільшувані під час нагрівання теплові коливання іонів кристалічної решітки, які перешкоджають вільному переміщенню електронів.
При зниженні температури електропровідність металу, навпаки, збільшується. Спершу лінійно, а потім, при ще більшому зниженні, неймовірно швидко. За температури, близької до абсолютного нуля, у деяких металів спостерігається ефект надпровідності.
Через унікальні властивості метали використовують у найрізноманітніших сферах і галузях: в енергетиці, військово-промисловому комплексі, електротехніці, електротранспорті. Щоправда, у них є і недоліки: дорожнеча, крихкість під час вигину, зносостійкість. Тому чисті метали часто замінюють сплавами – матеріалом, що складається з суміші двох або більшої кількості хімічних елементів, один з яких обов’язково метал.
Величезна перевага сплавів у тому, що вони перевершують чисті метали за міцністю, твердістю, зносостійкістю і жароміцністю. Але і у сплавів є один великий мінус: вони поступаються чистим металам за електропровідністю.
Коли до складу металу додають різні домішки, щоб поліпшити фізичні та хімічні властивості основного матеріалу, починає зростати його температурний коефіцієнт електричного опору. Тобто він швидше нагрівається за тих самих рівнів струму порівняно з чистими металами. Відомо, що при збільшенні температури електропровідність металу знижується.
Дослідники давно намагаються знайти спосіб, що дає змогу зменшити температурний коефіцієнт електричного опору сплавів і водночас підвищити їхню електричну провідність, особливо за високих температур.
Схоже, до вирішення цієї проблеми наблизилися матеріалознавці з Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії Міністерства енергетики США.
У статті, опублікованій у журналі Materials & Design, вчені розповіли, що їм вдалося зменшити температурний коефіцієнт електричного опору сплаву міді C11000 майже на 11 відсотків, додавши до нього графен у кількості 18 частин на мільйон. При цьому зниження електропровідності сплаву при підвищенні температури не спостерігалося.
Мідна фольга з графеновим покриттям, яка використовувалася як вихідний матеріал (a). Товщина фольги 20-25 мікрометрів. Установка ShAPE для виготовлення мідно-графенового дроту (b) / © Pacific Northwest National Laboratory
Пояснимо, графен – шар вуглецю, матеріалу, що складається з кристалічної решітки, яку утворюють шестикутники атомів. Графен – один шар решітки товщиною в один атом.
“У випадку з двигунами електромобілів наше відкриття дасть змогу збільшити електропровідність мідної обмотки на 11 відсотків. А це означає підвищення ККД двигуна на один відсоток”, – пояснила Керті Каппагантула (Keerti Kappagantula), один з авторів дослідження.
Учені зазначили, що розроблені ними мідно-графенові композити можна буде використовувати в багатьох сферах.
Наприклад, мідну обмотку застосовують у сердечниках електродвигунів і генераторів. Сучасні двигуни розраховані на роботу в обмеженому температурному діапазоні, оскільки під час перегріву електропровідність різко падає. З новим мідно-графеновим композитом двигуни можуть працювати за вищих температур без зменшення електропровідності.
Проводку, що використовується в будинках і на підприємствах, зазвичай виготовляють із міді. Зі зростанням щільності населення міст попит на електроенергію тільки збільшується. Новий композитний дріт, що має більшу електричну провідність, дасть змогу задовольнити цей попит за рахунок економії електроенергії.
Американські вчені подали заявку на патент мідно-графенового матеріалу. Але перш ніж розпочати виробництво в комерційних масштабах, дослідники збираються перевірити його на міцність, корозію і зносостійкість. Ці властивості важливі для промислового застосування.
