3. Januar 2024 | Graphen, eine gewöhnliche Kohlenstoffverbindung, ermöglicht bemerkenswerte Leistungsverbesserungen von Kupferdrähten, wenn sie im richtigen Verhältnis beigemischt wird. Dieses Phänomen widerspricht dem bisherigen Wissen darüber, wie Metalle Elektrizität leiten.
Materialwissenschaftler um Keerti Kappagantula vom Pacific Northwest National Laboratory des DOE haben entdeckt, dass Graphen, eine Modifikation des Kohlenstoffs, den sogenannten Temperaturkoeffizienten (TK) des Widerstands verbessern kann. (Der Temperaturkoeffizient repräsentiert die Zu- oder Abnahme des elektrischen Widerstands eines Leiters pro Kelvin Temperaturänderung.)
Der TK liefert die Erklärung dafür, warum Metalldrähte heiß werden, wenn ein elektrischer Strom durch sie fließt.
Die in der Zeitschrift Materials & Design veröffentlichten Ergebnisse könnten zu einer effizienteren Stromverteilung in Haushalten und Unternehmen sowie zu effizienteren Motoren für Elektrofahrzeuge und Industrieanlagen führen. Das Team hat für seine Arbeit, die vom Department of Energy (DOE) Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office unterstützt wurde, ein Patent angemeldet.
Ziel der Forschung war, diesen Widerstand zu verringern und gleichzeitig die Leitfähigkeit eines Metalls zu verbessern. Die Wissenschaftler beschäftigten sich bereits seit mehreren Jahren mit der Frage, ob die Leitfähigkeit von Metallen insbesondere bei hohen Temperaturen durch Zugabe anderer Stoffe erhöht werden kann. Und wenn ja, ob diese Verbundwerkstoffe in kommerziellem Maßstab eingesetzt werden können.
Die Forscher haben nun gezeigt, dass dies tatsächlich möglich ist. Durch die Zugabe von 18 Teilen Graphen pro Million Teile Kupfer in Elektroqualität wurde der Temperaturkoeffizient des Widerstands um 11 Prozent reduziert, ohne dass die elektrische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur abnahm. Dies ist insbesondere für die Herstellung von Elektromotoren von Bedeutung, da eine Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit von Kupferdrahtwicklungen zu einer Erhöhung des Motorwirkungsgrads führen kann.
“Diese Entdeckung steht im Gegensatz zu dem, was allgemein über das Verhalten von Metallen als Leiter bekannt ist”, so Kappagantula. “Normalerweise erhöht die Zugabe von Additiven zu einem Metall dessen Temperaturkoeffizient des Widerstands, was bedeutet, dass es sich bei gleicher Stromstärke schneller erwärmt als ein reines Metall. Wir beschreiben eine neue und aufregende Eigenschaft dieses Metallverbunds, bei dem wir eine verbesserte Leitfähigkeit in einem hergestellten Kupferdraht beobachten.”
Effizientere Kupfermotoren und -verkabelung für städtische Gebäude
Die neuen Kupfer-Graphen-Verbunddrähte bieten dem Forscherteam zufolge eine große Designflexibilität, wenn sie in einer industriellen Anwendung eingesetzt werden.
Die heutigen Elektromotoren und Generatoren sind für einen begrenzten Temperaturbereich ausgelegt. Wenn sie zu heiß werden, sinkt die elektrische Leitfähigkeit drastisch. Mit dem neuen Kupfer-Graphen-Verbundwerkstoff könnten Motoren bei höheren Temperaturen betrieben werden, ohne an Leitfähigkeit zu verlieren.
Eine weitere Anwendung ist die Versorgung der Bevölkerung mit Strom. Da die Bevölkerungsdichte in den Städten zunimmt, steigt auch die Nachfrage nach Strom. Ein leitfähigerer Verbunddraht könnte möglicherweise dazu beitragen, diesen Bedarf durch Effizienzeinsparungen zu decken.
“Diese Technologie ist eine wunderbare Lösung für die Kupferverkabelung in städtischen Gebieten mit hoher Bevölkerungsdichte”, fügte Kappagantula hinzu.
Das Team setzt seine Arbeit fort, um das Kupfer-Graphen-Material anzupassen und andere wichtige Eigenschaften wie Festigkeit, Ermüdung, Korrosion und Verschleißfestigkeit zu messen, die für die Qualifizierung solcher Materialien für industrielle Anwendungen entscheidend sind.
Die Originalpublikation:
Bharat Gwalani et al. (2024). Unprecedented electrical performance of friction-extruded copper-graphene composites. Materials & Design, Vol. 237. DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112555