ORNL研究人員利用新技術制造出一種長度較長的復合銅碳納米管材料，其性能得到提升，可用于電動汽車牽引電機。

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，制造出一種能夠增加銅線電流容量的復合材料，從而提供了一種可用于超高效、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，包括用于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(tǒng)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復合材料，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并不是一個新想法。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復合材料的研究被限制在尺寸上，只能生成范圍在微米或毫米間的復合材料，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復合材料纖維，這是一種操作性很強的方法。ORNL化學科學系博士后研究員李凱（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(guī)整到統(tǒng)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。然后涂層樣品在真空爐中退火，形成致密、均勻的銅層，從而產生高導電的銅碳納米管網(wǎng)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厘米、寬4厘米，具有特殊性能的銅碳納米管復合材料。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(fā)現(xiàn)，與純銅相比，該復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(yōu)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并提高先進電機系統(tǒng)的功率密度。”

這項工作建立在ORNL豐富的超導研究經(jīng)驗基礎上，該研究已經(jīng)開發(fā)出多種低電阻導電的優(yōu)良材料。該實驗室的超導線技術已授權給工業(yè)界多家公司，可實現(xiàn)高容量電力傳輸，同時將功率損耗降至最低。

Aytug說，雖然新的復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(tǒng)的電氣化。他說，通過商業(yè)上可行的技術來實現(xiàn)改進性能特征，意味著為設計適用于各種電氣系統(tǒng)和工業(yè)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，如超聲噴涂涂層和輥對輥系統(tǒng)，以生產長度到1米的復合材料。

ORNL電力驅動技術項目經(jīng)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(xiàn)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(yōu)異的材料來實現(xiàn)。

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