Примесь углерода резко улучшила электропроводность меди

Многие металлы — хорошие проводники электрического тока. У разных металлов разная электропроводность. Самая наилучшая — у серебра, меди, золота, алюминия. Наихудшей электропроводностью среди металлов обладает марганец. 

Однако, когда металл подвергается влиянию высоких температур, его электрическая проводимость уменьшается. Скорее всего, причина тому — увеличивающиеся при нагревании тепловые колебания ионов кристаллической решетки, которые препятствуют свободному перемещению электронов. 

При понижении температуры электропроводность металла, наоборот, увеличивается. Сперва линейно, а затем, при еще большем понижении, невероятно быстро. При температуре, близкой к абсолютному нулю, у некоторых металлов наблюдается эффект сверхпроводимости.

Из-за уникальных свойств металлы используют в самых разных сферах и областях: в энергетике, военно-промышленном комплексе, электротехнике, электротранспорте. Правда, у них есть и недостатки: дороговизна, хрупкость при изгибе, износостойкость. Поэтому чистые металлы часто заменяют сплавами — материалом, состоящим из смеси двух или большего числа химических элементов, один из которых обязательно металл.

Огромное преимущество сплавов в том, что они превосходят чистые металлы по прочности, твердости, износостойкости и жаропрочности. Но и у сплавов есть один большой минус: они уступают чистым металлам по электропроводности.

Когда в состав металла добавляют различные примеси, чтобы улучшить физические и химические свойства основного материала, начинает расти его температурный коэффициент электрического сопротивления. То есть он быстрее нагревается при тех же уровнях тока по сравнению с чистыми металлами. Известно, что при увеличении температуры электропроводность металла снижается.

Исследователи давно пытаются найти способ, позволяющий уменьшить температурный коэффициент электрического сопротивления сплавов и одновременно повысить их электрическую проводимость, особенно при высоких температурах. 

Похоже, к решению этой проблемы приблизились материаловеды из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США.

В статье, опубликованной в журнале Materials & Design, ученые рассказали, что им удалось уменьшить температурный коэффициент электрического сопротивления сплава меди C11000 почти на 11 процентов, добавив к нему графен в количестве 18 частей на миллион. При этом снижения электропроводности сплава при повышении температуры не наблюдалось.

Медная фольга с графеновым покрытием, которая использовалась в качестве исходного материала (a). Толщина фольги 20-25 микрометров. Установка ShAPE для изготовления медно-графеновой проволоки (b) / © Pacific Northwest National Laboratory

Поясним, графен — слой углерода, материала, состоящего из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов. Графен — один слой решетки толщиной в один атом.

«В случае с двигателями электромобилей наше открытие позволит увеличить электропроводность медной обмотки на 11 процентов. А это означает повышение КПД двигателя на один процент», — пояснила Керти Каппагантула (Keerti Kappagantula). один из авторов исследования.

Ученые отметили, что разработанные ими медно-графеновые композиты можно будет использовать во многих сферах.

Например, медную обмотку применяют в сердечниках электродвигателей и генераторов. Современные двигатели рассчитаны на работу в ограниченном температурном диапазоне, поскольку при перегреве электропроводность резко падает. С новым медно-графеновым композитом двигатели могут работать при более высоких температурах без уменьшения электропроводности.

Проводку, используемую в домах и на предприятиях, обычно изготавливают из меди. С ростом плотности населения городов спрос на электроэнергию только увеличивается. Новый композитный провод, обладающий бо‌льшей электрической проводимостью, позволит удовлетворить этот спрос за счет экономии электроэнергии.

Американские ученые подали заявку на патент медно-графенового материала. Но прежде чем приступить к производству в коммерческих масштабах, исследователи собираются проверить его на прочность, коррозию и износостойкость. Эти свойства важны для промышленного применения.