將石墨烯加入銅，出現(xiàn)前所未有的電氣性能，石墨烯銅基復合材料突破性進展！

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石墨烯作為銅基復合材料的理想增強相，近年來在提升材料性能及工業(yè)化應用方面取得了顯著進展。一種全新的高電導率石墨烯銅基復合材料開始在線纜行業(yè)推廣，已經(jīng)有高速裸線工廠在驗證其性能，其設計理論是石墨烯+銅，具有高導電率（57-59 MS/M）和高穩(wěn)定性，而石墨烯的電導率高達100 MS/M，LTDF石墨烯的電導率比銅高出近70%，因此，以銅為基體、以石墨烯為增強相，制得的高導電性、高導熱性、超高強度及電磁屏蔽性能優(yōu)良的“超級銅”正越來越受到科研界和產(chǎn)業(yè)界的青睞。最新石墨烯銅基復合材料突破性進展，美國能源部太平洋西北國家實驗室（PNNL）的一個研究團隊將石墨烯這種碳基材料添加到電銅中，發(fā)現(xiàn)它能夠在不降低電導率的情況下，減少金屬的電阻溫度系數(shù)，這一成果有望帶來電氣效率的提升。

電阻溫度系數(shù)解釋了為什么銅線在通電時會發(fā)熱，它是金屬導電性的一個重要影響因素。如果金屬溫度過高，其導電性通常會降低。這一發(fā)現(xiàn)是在科學家們多年研究如何通過添加其他材料來增加金屬導電性，尤其是在高溫環(huán)境下取得的，這也顛覆了關于金屬作為導體行為的傳統(tǒng)科學認知。

銅（Cu）因其優(yōu)良的導電性能被廣泛應用于電機、發(fā)電機、建筑電線、充電器、變壓器和電氣接觸等領域。隨著對電氣化和能源效率要求的提高，需要開發(fā)出比現(xiàn)有銅合金（如C10100和C11000）具有更高電性能的材料。來自PNNL的科學家們在《Materials & Design》雜志上發(fā)表的研究成果顯示，通過剪切輔助加工和擠出（ShAPE）技術制造的銅-石墨烯復合材料，在電性能上取得了顯著提升。具體而言，添加18ppm的石墨烯能夠使C11000合金的電阻溫度系數(shù)（TCR）降低近11%，研究人員發(fā)現(xiàn)，這一降低并沒有減少材料在室溫下的電導率?！拔覀冏C明了片狀和團簇必須同時存在，才能制造出更適合高溫運行的更好導體?！盤NNL 的材料科學家、參與該研究的 Kappagantula 說。

圖：（a）摩擦系數(shù)（CoF）隨滑動時間的變化；（b）僅銅和銅-石墨烯（Cu-Gr）原料箔的磨損深度隨磨損寬度的變化，這些原料箔用于制造各種ShAPE銅-石墨烯復合材料

圖：（a）電阻溫度系數(shù)（TCR）和（b）ShAPE僅銅及銅-石墨烯（Cu-Gr，簡稱CuG）復合材料的電導率隨石墨烯（Gr）含量的變化

圖：銅-石墨烯半擠出區(qū)域的表征（a）逆極圖、圖像質(zhì)量圖和核平均誤取向圖（從左至右），這些圖來自插圖中光學圖像中標記為矩形的區(qū)域；（b）逆極圖、圖像質(zhì)量圖和核平均誤取向圖（從左至右），這些圖來自插圖中光學圖像中標記為矩形的區(qū)域。請注意，在銅-石墨烯樣品中，晶粒尺寸和CSL邊界濃度從角落到中心的增加，這與純銅擠出物相比呈現(xiàn)出相反的趨勢。
例如，在電動機和發(fā)電機的核心部分，使用的是盤繞的銅線。如今的電機被設計為在有限的溫度范圍內(nèi)運行，因為當它們過熱時，電導率會顯著下降。由于這種復合材料可以降低電阻溫度系數(shù)，電動機現(xiàn)在有可能在更高溫度下運行而不失去導電性。
圖：來自銅-石墨烯擠出物的透射電子顯微鏡（TEM）和原子探針斷層掃描（APT）結果：（a-b）來自銅的掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像，顯示銅晶粒中富含碳（C）的納米區(qū)域沿111晶面排列。（b）APT結果進一步證實了基體中碳的富集。（c）二維成分圖顯示銅基體中局部碳（約8%原子比）的富集。在特定晶面（可能是111晶面）上的明顯排列與TEM觀察結果一致

另一個潛在的用例是將電力輸送到家庭和企業(yè)的輸電線路，這些線路通常由銅制成。使用這種復合材料制成的電線可以在全球城市對電力需求增加的情況下提供更高的效率。

研究人員計劃繼續(xù)定制銅 – 石墨烯材料，同時測試厚度約為美國一分錢硬幣，即 1.5 毫米的用該材料制成的電線。在實驗中，他們將測量其他關鍵屬性，如強度、疲勞、腐蝕和耐磨性，以測試其在工業(yè)應用中的可行性。

來源：公眾號·線纜行業(yè)朋友圈分享