Un compuesto de carbono común permite mejoras notables en el rendimiento cuando se mezcla en la proporción justa con cobre para fabricar cables eléctricos. Es un fenómeno que desafía la sabiduría convencional sobre cómo los metales conducen la electricidad.
Los hallazgos, publicados en la revista Materials &Design , podría conducir a una distribución de electricidad más eficiente a hogares y empresas, así como a motores más eficientes para impulsar vehículos eléctricos y equipos industriales. El equipo solicitó una patente para el trabajo, que contó con el apoyo de la Oficina de Tecnologías de Fabricación y Materiales Avanzados del Departamento de Energía (DOE).
La científica de materiales Keerti Kappagantula y sus colegas del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del DOE descubrieron que el grafeno, capas individuales del mismo grafito que se encuentra en los lápices, puede mejorar una propiedad importante de los metales llamada coeficiente de resistencia a la temperatura.
Esta propiedad explica por qué los cables metálicos se calientan cuando una corriente eléctrica los atraviesa. Los investigadores quieren reducir esta resistencia y al mismo tiempo mejorar la capacidad del metal para conducir electricidad. Desde hace varios años se preguntan si se puede aumentar la conductividad del metal, especialmente a altas temperaturas, añadiéndole otros materiales. Y en caso afirmativo, ¿pueden estos compuestos ser viables a escala comercial?
Ahora, han demostrado que pueden hacer precisamente eso, utilizando una plataforma de fabricación avanzada patentada por PNNL llamada ShAPE.
Cuando el equipo de investigación añadió 18 partes por millón de grafeno al cobre de grado eléctrico, el coeficiente de resistencia a la temperatura disminuyó un 11 por ciento sin disminuir la conductividad eléctrica a temperatura ambiente. Esto es relevante para la fabricación de motores de vehículos eléctricos, donde un aumento del 11 por ciento en la conductividad eléctrica del bobinado de alambre de cobre se traduce en un aumento del 1 por ciento en la eficiencia del motor.
"Este descubrimiento va en contra de lo que generalmente se sabe sobre el comportamiento de los metales como conductores", afirmó Kappagantula. "Por lo general, la introducción de aditivos en un metal aumenta su coeficiente de resistencia a la temperatura, lo que significa que se calientan más rápido a los mismos niveles de corriente en comparación con los metales puros. Estamos describiendo una propiedad nueva y emocionante de este compuesto metálico donde observamos una conductividad mejorada en un metal fabricado. alambre de cobre."
Anteriormente, el equipo de investigación realizó estudios computacionales detallados basados en la física y la estructura para explicar el fenómeno de mejorar la conductividad eléctrica de los metales utilizando grafeno.
En este estudio, demostraron que el procesamiento en fase sólida utilizado para extruir el alambre compuesto conduce a una microestructura uniforme, casi libre de poros, salpicada de pequeñas escamas y grupos de grafeno que pueden ser responsables de la disminución del coeficiente de resistencia del compuesto. /P>
"Demostramos que tanto las escamas como los cúmulos deben estar presentes para ser mejores conductores para operaciones de alta temperatura", dijo Kappagantula.
Los coautores Bharat Gwalani, Xiao Li y Aditya Nittala aprovecharon un banco de pruebas diseñado por PNNL que mide las propiedades eléctricas con alta precisión y exactitud para validar la conductividad mejorada, como se refleja en el análisis experimental detallado del equipo. Li y Md. Reza-E-Rabby desarrollaron las herramientas y el proceso para el proceso de extrusión por fricción en fase sólida que condujo a la patente.
Según el equipo de investigación, cuando se apliquen a cualquier aplicación industrial, los nuevos cables compuestos de cobre y grafeno proporcionarán una gran flexibilidad de diseño.
"En cualquier lugar donde haya electricidad, tenemos un caso de uso", afirmó Kappagantula.
Por ejemplo, los alambres de cobre enrollados se utilizan en el núcleo de motores y generadores eléctricos. Los motores actuales están diseñados para funcionar dentro de un rango de temperatura limitado porque cuando se calientan demasiado, la conductividad eléctrica cae drásticamente. Con el nuevo compuesto de cobre y grafeno, los motores podrían funcionar a temperaturas más altas sin perder conductividad.
Asimismo, el cableado que lleva la electricidad desde las líneas de transmisión a los hogares y empresas suele estar hecho de cobre. A medida que aumenta la densidad de población de las ciudades, la demanda de energía sigue su ejemplo. Un cable compuesto que sea más conductor podría ayudar a satisfacer esa demanda con ahorros de eficiencia.
"Esta tecnología es una hermosa solución para cableado de cobre en entornos urbanos de alta densidad", añadió Kappagantula.
El equipo de investigación continúa su trabajo para personalizar el material de cobre y grafeno y medir otras propiedades esenciales, como la resistencia, la fatiga, la corrosión y el desgaste, que son cruciales para calificar dichos materiales para aplicaciones industriales. Para estos experimentos, el equipo de investigación fabrica cables del grosor de un centavo estadounidense (1,5 milímetros).
Más información: Bharat Gwalani et al, Rendimiento eléctrico sin precedentes de compuestos de cobre y grafeno extruidos por fricción, Materiales y diseño (2023). DOI:10.1016/j.matdes.2023.112555
Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
