Ученые из США выяснили, что добавление определенного количества графена в медь позволяет уменьшить снижение ее электропроводности при нагревании. Американские исследователи полагают, что это открытие может оптимизировать передачу электроэнергии в жилых и производственных помещениях, а также увеличить эффективность электродвигателей для электромобилей и промышленного оборудования.
Большинство металлов обладают высокой электропроводностью. Электропроводность у различных металлов отличается. Наиболее высокая электропроводность характерна для серебра, меди, золота и алюминия. Наименьшей электропроводностью среди металлов обладает марганец.
При воздействии высоких температур электрическая проводимость металла снижается. Вероятнее всего, это связано с увеличением тепловых колебаний ионов кристаллической решетки при нагревании, что затрудняет свободное перемещение электронов.
По мере снижения температуры электропроводность металла возрастает. Изначально это увеличение происходит линейно, однако с дальнейшим понижением температуры оно становится очень быстрым. У некоторых металлов при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, проявляется эффект сверхпроводимости.
Благодаря своим особым характеристикам металлы находят применение в широком спектре отраслей, включая энергетику, оборонную промышленность, электротехнику и электротранспорт. Однако, у них есть и определенные ограничения: высокая стоимость, склонность к хрупкости при деформации и ограниченная износостойкость. В связи с этим, чистые металлы нередко заменяют сплавами – материалами, представляющими собой смесь двух или более химических элементов, где один из них обязательно металл.
Сплавы обладают значительными преимуществами перед чистыми металлами, поскольку демонстрируют более высокую прочность, твердость, износостойкость и жаропрочность. Однако стоит отметить, что электропроводность у сплавов, как правило, ниже, чем у чистых металлов.
Внесение в структуру металла различных добавок для повышения его физических и химических характеристик приводит к изменению его температурный коэффициент электрического сопротивления. Благодаря этому сплавы быстрее нагреваются при одинаковых значениях тока, чем чистые металлы. Следует отметить, что с повышением температуры электропроводность металла уменьшается.
Ученые на протяжении долгого времени ищут метод снижения температурной зависимости электрического сопротивления сплавов, а также повышения их электрической проводимости, в особенности в условиях высоких температур.
Материаловеды из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США, вероятно, добились прогресса в решении этой проблемы.
В статье, опубликованной в журнале Materials & Design, благодаря добавлению графена в количестве 18 частей на миллион, ученым удалось снизить температурный коэффициент электрического сопротивления сплава меди C11000 почти на 11 процентов. Важно отметить, что при повышении температуры электропроводность сплава при этом не уменьшилась.
Графен представляет собой слой углерода, состоящий из кристаллической решетки, формируемой атомами, расположенными в шестиугольной структуре. Это однослойный материал, толщина которого составляет всего один атом.
«Благодаря нашему открытию, электропроводность медной обмотки в двигателях электромобилей возрастет на 11 процентов. Это приведет к повышению КПД двигателя на один процент», — пояснила Керти Каппагантула (Keerti Kappagantula). один из авторов исследования.
Разработанные учеными медно-графеновые композиты, по их словам, найдут применение в различных областях.
Медные обмотки используются в сердечниках электродвигателей и генераторов. Современные двигатели спроектированы для функционирования в определенном температурном диапазоне, так как при перегреве их электропроводность значительно снижается. Благодаря новому медно-графеновому композиту, двигатели смогут работать при повышенных температурах, не теряя электропроводности.
Медь чаще всего используется для изготовления электропроводки в жилых и коммерческих зданиях. Увеличение численности населения городов приводит к росту потребности в электроэнергии. Разработка нового композитного провода с повышенной электропроводностью позволит решить эту проблему, сократив потребление электроэнергии.
Американские ученые подали заявку на патент медно-графенового материала. Но прежде чем начать производство в промышленных масштабах, исследователи планируют провести испытания, чтобы оценить его прочность, устойчивость к коррозии и износостойкость. Эти характеристики имеют значение для использования в промышленности.