美發明新型複合銅線 顛覆金屬導電特性舊識

隨著科技的發展，人們的用電量需求也在不斷增大，使得增加發電量、優化電網系統成為重要的事情。美國的國家實驗室新開發出一種高導電複合型銅線，不僅可以減少通電時發熱的問題，甚至還顛覆了人們以往對金屬導電特性的認知。

通常金屬電線在通電後會發熱，且過程中會增加電阻和降低導電率，當電線熱到一定程度後會被燒斷。

為此研究人員尋找其它材料，用來增強金屬的導電性，並降低或解決金屬在通電後會出現發熱的問題。過去有錳銅和康銅，可以降低金屬的電阻溫度係數（TCR），讓其數值接近零，但這些合金通常是用於電阻器上，並不適合用於電機、電網等大規模能量傳輸應用，原因是它們的室溫電導率要遠低於純銅。

而美國太平洋西北國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory）的科學家們發現，一種常見的碳化合物與銅以適當的比例混合，做出來的新型複合材料，不僅顯著改善電線的導電性能，還推翻了傳統的金屬導電觀念。這項結果於2023年12月被發表在《材料與設計》科學雜誌上。

這種常見的碳化合物，即為現在的熱門材料「石墨烯（單層石墨）」，由於石墨烯是導熱及導電性極佳的透明奈米材料，電阻率比銅或銀低，因此它被應用在許多地方，包括航太、金屬、電子元件和其它新興材料上。

該團隊先是將電工級的純銅（Cu）塗上一層薄薄的石墨烯（Gr），並通過剪切輔助加工和擠出（ShAPE^TM）的方法做出直徑約1.5毫米、長度超過0.2米的Cu-Gr複合材料，這時候石墨烯在複合材料中的最佳含量為百萬分之十八（18ppm）。

這種石墨烯含量比例要比12ppm和25ppm更加穩定，且能使該材料的TCR值要比純銅下降11%，電導率提高約1%。另外，它在室溫（20°C）的情況下，電導率沒有降低，而在溫度200 °C至400 °C時，其導電率會增加。

研究人員通過掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）及原子探針斷層掃描（APT）等工具，去分析純銅和Cu-Gr複合材料中的銅和石墨烯晶粒尺寸、晶體取向、結構和成份差異，希望能解釋Cu- Gr是如何增強其金屬導電性的。

他們發現，用ShAPE製作的複合線材，會產生均勻且近乎無孔的微觀結構。材料中點綴著微小的石墨烯薄片和團簇，並降低材料中晶體的缺陷（材料中晶體顆粒大小差異），這可能是複合材料電阻係數降低的原因之一。

他們還證明了Cu-Gr複合材料是可以實現批量生產和用於工業上的，因為該材料具有較低的TCR及更高的導電特性。這項新的發現在未來可能提高電網對家庭、企業的電力分配效率，還能強化馬達的效率，這對電動車和工業設備行業來說是一件好事。

目前馬達和電網被設計在20°C到300°C的溫度內運行，以確保其性能和穩定。若它們在運轉時變得太熱，會使內部電線的電導率急劇下降，且極可能出現燒毀的現象，因此使用導電性較強的複合線可能有助於解決此問題並提高效率。

美國能源部太平洋西北國家實驗室的材料科學家克爾蒂·卡帕甘圖拉（Keerti Kappagantula）對該實驗室的新聞室表示，「這一發現與人們對金屬導體的普遍認知是背道而馳的。通常在金屬中添加東西，會增加其電阻溫度係數，使它們與純金屬在相同的電流水平下更快地變熱。」

卡帕甘圖拉說，「我們觀察到，這種新的銅複合材料擁有讓令人興奮的新特性，就是導電性增強了。」她還表示，「單層的石墨烯片和石墨烯團簇必須同時存在，才能成為高溫操作的更好導體。」

研究團隊表示，當新型銅-石墨烯複合線應用於任何工業應用時，將提供極大的設計彈性。目前研究團隊繼續致力於客製化新的銅-石墨烯材料，希望將這種電線用於工業領域和日常生活，同時他們還會測量它的強度、疲勞、腐蝕和耐磨性，而這些性質對於工業應用來說至關重要。

該團隊已為這項技術申請了專利，並得到了美國能源部（DOE）先進材料和製造技術辦公室的支持。@

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