Dây đồng sẽ tăng độ dẫn điện khi thêm carbon rắn vào!

Posted on Tháng mười hai 14, 2024 by admin

21
Th10

Tính chất này giải thích tại sao dây kim loại nóng lên khi có dòng điện chạy qua. Các nhà nghiên cứu muốn giảm điện trở này đồng thời tăng khả năng dẫn điện của kim loại. Trong nhiều năm, họ đã đặt câu hỏi liệu độ dẫn điện của kim loại có thể tăng lên, đặc biệt là ở nhiệt độ cao, bằng cách thêm các vật liệu khác vào hay không. Và nếu có, liệu những vật liệu tổng hợp này có khả thi ở quy mô thương mại không?

Một hợp chất cacbon phổ biến cho phép cải thiện hiệu suất đáng kể khi được trộn với đồng theo đúng tỷ lệ để làm dây điện. Đây là một hiện tượng có thể tạo ra sự thách thức trí tuệ thông thường về cách kim loại dẫn điện. Phát hiện được báo cáo trên tạp chí Materials & Design, có thể giúp việc phân phối điện hiệu quả hơn cho các hộ gia đình và doanh nghiệp, cũng như tải điện từ các động cơ hiệu quả hơn để cung cấp năng lượng cho xe điện và thiết bị công nghiệp khác.

Nhà khoa học vật liệu Keerti Kappagantula và các đồng nghiệp tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương của DOE đã phát hiện ra rằng graphene, lớp đơn của cùng loại than chì có trong bút chì, có thể tăng cường một tính chất quan trọng của kim loại được gọi là hệ số nhiệt độ điện trở. Giờ đây, họ đã chứng minh rằng họ có thể làm được điều đó bằng cách sử dụng nền tảng sản xuất tiên tiến được cấp bằng sáng chế của PNNL có tên là ShAPE.

Khi nhóm nghiên cứu thêm 18/ 1 triệu graphene vào đồng, hệ số nhiệt độ điện trở giảm 11% mà không làm giảm độ dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Khi độ dẫn điện của dây đồng tăng 11% sẽ dẫn đến hiệu suất động cơ tăng 1%, rất phù hợp với ứng dụng động cơ điện.

“Phát hiện này trái ngược với những gì thường được biết về đặc tính của kim loại như chất dẫn điện”, Kappagantula cho biết. “Thông thường, việc đưa chất phụ gia vào kim loại sẽ làm tăng hệ số nhiệt độ của điện trở, nghĩa là chúng nóng lên nhanh hơn ở cùng mức dòng điện so với kim loại nguyên chất. Chúng tôi đang mô tả một tính chất mới và thú vị của hợp chất kim loại này, trong đó chúng tôi quan sát thấy độ dẫn điện tăng lên”.

Cấu trúc vi mô là chìa khóa để tăng cường graphene

Trước đó, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các nghiên cứu tính toán chi tiết dựa trên cấu trúc và vật lý để giải thích hiện tượng đồng tăng độ dẫn điện lên khi pha graphene.

Trong nghiên cứu này, họ đã chỉ ra rằng quá trình xử lý pha rắn được sử dụng để đùn dây composite tạo ra cấu trúc vi mô đồng nhất, gần như không có lỗ rỗng, có các mảnh và cụm graphene nhỏ có thể chịu trách nhiệm làm giảm hệ số điện trở của composite.

Các đồng tác giả Bharat Gwalani, Xiao Li và Aditya Nittala đã tận dụng một bệ thử nghiệm do PNNL thiết kế để đo các đặc tính điện với độ chính xác cao để xác nhận độ dẫn điện của đồng thực sự được cải thiện, như được phản ánh trong phân tích thử nghiệm chi tiết của nhóm, Li và Md. Reza-E-Rabby đã nâng cấp vật liệu vỏ bọc công cụ và quy trình đùn ma sát pha rắn.

Theo nhóm nghiên cứu, khi được ứng dụng vào bất kỳ ứng dụng công nghiệp nào, dây composite đồng-graphene mới sẽ mang lại tính linh hoạt trong thiết kế dây dẫn. Kappagantula cho biết: “Bất cứ nơi nào có điện, chúng đều có thể được sử dụng”, ,ví dụ cuộn dây đồng được sử dụng trong lõi của động cơ điện và máy phát điện. Động cơ ngày nay được thiết kế để hoạt động trong phạm vi nhiệt độ hạn chế vì khi chúng quá nóng, độ dẫn điện giảm đáng kể. Với vật liệu composite đồng-graphene mới, động cơ có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao hơn mà không bị mất độ dẫn điện.

Tương tự như vậy, hệ thống dây & cáp điện từ đường dây truyền tải đến nhà ở gia đình, tòa nhà cũng thường được làm bằng đồng. Khi mật độ dân số của các thành phố tăng lên, nhu cầu về điện cũng tăng theo. Một dây dẫn tổng hợp có khả năng dẫn điện tốt hơn có thể giúp đáp ứng nhu cầu đó với hiệu quả tiết kiệm.

Nhóm nghiên cứu vẫn tiếp tục công việc nghiên cứu vật liệu đồng-graphene và đo các đặc tính thiết yếu khác như độ bền, độ căng, độ ăn mòn và khả năng chống mài mòn, những đặc tính quan trọng để đủ điều kiện cho các vật liệu như vậy ứng dụng trong công nghiệp. Đối với các thí nghiệm này, nhóm nghiên cứu sản xuất các sợi dây có độ dày 1.5 mm.

Tham khảo: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127523009711?via%3Dihub