美发明新型复合铜线 颠覆金属导电特性认知

克尔蒂·卡帕甘图拉和她的同事批量开发了纯铜混合石墨烯的高导电铜线。（Andrea Starr| Pacific Northwest National Laboratory）

随着科技的发展，人们的用电量需求也在不断增大，使得增加发电量、优化电网系统成为重要的事情。美国国家实验室新开发出一种高导电复合型铜线，不仅可以减少通电时发热的问题，甚至还颠覆了人们以往对金属导电特性的认知。

通常金属电线在通电后会发热，且过程中会增加电阻和降低导电率，当电线热到一定程度后会被烧断。

为此研究人员寻找其它材料，用来增强金属的导电性，并降低或解决金属在通电后会出现发热的问题。过去有锰铜和康铜，可以降低金属的电阻温度系数（TCR），让其数值接近零，但这些合金通常是用于电阻器上，并不适合用于电机、电网等大规模能量传输应用，原因是它们的室温电导率要远低于纯铜。

而美国太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）的科学家们发现，一种常见的碳化合物与铜以适当的比例混合，做出来的新型复合材料，不仅显着改善电线的导电性能，还推翻了传统的金属导电观念。这项结果于2023年12月被发表在《材料与设计》科学杂志上。

这种常见的碳化合物，即为现在的热门材料“石墨烯（单层石墨）”，由于石墨烯是导热及导电性极佳的透明纳米材料，电阻率比铜或银低，因此它被应用在许多地方，包括航太、金属、电子元件和其它新兴材料上。

该团队先是将电工级的纯铜（Cu）涂上一层薄薄的石墨烯（Gr），并通过剪切辅助加工和挤出（ShAPETM）的方法做出直径约1.5毫米、长度超过0.2米的Cu-Gr复合材料，这时候石墨烯在复合材料中的最佳含量为百万分之十八（18ppm）。

这种石墨烯含量比例要比12ppm和25ppm更加稳定，且能使该材料的TCR值要比纯铜下降11%，电导率提高约1%。另外，它在室温（20°C）的情况下，电导率没有降低，而在温度200°C至400°C时，其导电率会增加。

研究人员通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）及原子探针断层扫描（APT）等工具，去分析纯铜和Cu-Gr复合材料中的铜和石墨烯晶粒尺寸、晶体取向、结构和成分差异，希望能解释Cu- Gr是如何增强其金属导电性的。

他们发现，用ShAPE制作的复合线材，会产生均匀且近乎无孔的微观结构。材料中点缀着微小的石墨烯薄片和团簇，并降低材料中晶体的缺陷（材料中晶体颗粒大小差异），这可能是复合材料电阻系数降低的原因之一。

他们还证明了Cu-Gr复合材料是可以实现批量生产和用于工业上的，因为该材料具有较低的TCR及更高的导电特性。这项新的发现在未来可能提高电网对家庭、企业的电力分配效率，还能强化马达的效率，这对电动车和工业设备行业来说是一件好事。

目前马达和电网被设计在20°C到300°C的温度内运行，以确保其性能和稳定。若它们在运转时变得太热，会使内部电线的电导率急剧下降，且极可能出现烧毁的现象，因此使用导电性较强的复合线可能有助于解决此问题并提高效率。

美国能源部太平洋西北国家实验室的材料科学家克尔蒂·卡帕甘图拉（Keerti Kappagantula）对该实验室的新闻室表示，“这一发现与人们对金属导体的普遍认知是背道而驰的。通常在金属中添加东西，会增加其电阻温度系数，使它们与纯金属在相同的电流水平下更快地变热。”

卡帕甘图拉说，“我们观察到，这种新的铜复合材料拥有令人兴奋的新特性，就是导电性增强了。”她还表示，“单层的石墨烯片和石墨烯团簇必须同时存在，才能成为高温操作的更好导体。”

研究团队表示，当新型铜-石墨烯复合线应用于任何工业应用时，将提供极大的设计弹性。目前研究团队继续致力于客制化新的铜-石墨烯材料，希望将这种电线用于工业领域和日常生活，同时他们还会测量它的强度、疲劳、腐蚀和耐磨性，而这些性质对于工业应用来说至关重要。

该团队已为这项技术申请了专利，并得到了美国能源部（DOE）先进材料和制造技术办公室的支持。