铜 (Cu) 等导电金属广泛用于需要能量传输和转换的各种应用，包括电机、发电机、充电器、变压器和电触点等。

随着电气化需求的不断增加和能源效率的提高，迫切需要开发比目前可用的导电铜合金（如 C10100 和 C11000）具有更高电气性能的材料，且需要这些材料可以工业规模生产又经济可行。

美国太平洋西北国家实验室 (PNNL) 的研究人员使用剪切辅助加工和挤出 (ShAPE)工艺合成了宏观（）尺寸的铜-石墨烯复合材料，该复合材料具有较低的电阻温度系数 (TCR) 和比铜更高的导电性。

一、ShAPE工艺介绍

PNNL 多年来一直在开发 ShAPE，以便能够以更经济、更节能的方式生产金属和金属合金的高强度结构，并应用于一系列不同的金属。

挤压轻质金属的传统方法消耗大量能量，由于使用稀土元素而成本高昂，并且经常导致不一致或不均匀的内部结构，从而导致强度和可靠性问题。PNNL 屡获殊荣的 R&D100 剪切辅助加工和挤压 (ShAPE™) 工艺克服了这些挑战，利用较硬的金属和金属合金制造高强度结构。

正在申请专利的 ShAPE™ 工艺使用机器旋转大块金属合金的坯料或大块，通过摩擦产生足够的热量来软化材料，以便可以轻松地通过模具挤压形成管材、棒材和通道。同时产生的线性力和旋转力仅使用传统工艺中将材料推过模具所需的力的 10%。力的显着减少使得生产机械变得更小，从而降低资本支出和运营成本。能源消耗同样低。制造 1 英尺长、2 英寸直径的管道所需的电量大约相当于家用厨房烤箱运行 60 秒所需的电量。

该工艺生产出的材料的微观结构晶粒比挤压前的材料晶粒细得多。这些更细小的晶粒及其取向在整个产品中通常是均匀的，从而提供更大的强度和延展性。例如，独立测量了 25% 以上的室温延展性，这与典型的挤压件相比是一个很大的改进。初步研究表明，该工艺还大大提高了金属的能量吸收能力。

优点

1.与传统挤压相比，可以显着降低功耗和挤压力，从而无需使用耗电的电阻加热器

2. 能够挤出传统方法无法轻易挤出的材料

3. 可以在低温下完成，保留或改善前体材料的内部结构

4. 增强金属合金的整体性能，例如能量吸收

应用领域

该工艺可用于使用粉末、薄片、加工废料（切屑或切屑）或实心坯料形成完全固结的线材、棒材、管材或其他非圆形形状。由此产生的结构可以为陆地、水中、空中和太空中的车辆提供支持。

二、合成铜-石墨烯复合材料，或将提高电动汽车电机效率

更高的电气性能意味着更高的导电性和/或更低的电阻温度系数 (TCR)。铜、铝等导体的电导率通常以国际退火铜标准 (IACS) 来表示，其中 100% IACS 对应于标准退火铜在 20 °C 时的电导率，即 58.001 MS/m。TCR 是材料电阻随温度的变化率，相对于 20 °C 时的特性。

为了提高材料在升高的工作温度下的能量传输效率，我们可以将其设计为在不增加 TCR 的情况下表现出更高的室温电导率，反之亦然。

与传统导体合金相比，具有相似电导率和较低 TCR 的材料要么在给定电流强度下表现出较低的温度，要么在固定温度下实现更高的电流强度，从而表现出增强的性能。

因此，电导率和 TCR 都是为各种应用选择导体时需要考虑的重要属性，例如在运行条件为高温 (20–300 °C) 的电机和电网中，以确保节能性能。

在《Materials & Design》杂志上发表的一篇开放获取论文中，PNNL 研究人员报告称，添加 18 ppm 石墨烯可将 C11000 合金的电阻温度系数 (TCR) 降低近 11%，并将电导率提高约 1.4%。

这与电动汽车电机的制造相关，其中铜线绕组的电导率提高 11%，电机效率提高 1%。

“这一发现与人们对金属导体行为的普遍认知背道而驰。通常，在金属中引入添加剂会增加其电阻温度系数，这意味着与纯金属相比，它们在相同电流水平下加热得更快。我们正在描述这种金属复合材料的一个令人兴奋的新特性，我们观察到制造的铜线具有增强的导电性。”——Keerti Kappagantula，通讯作者。

此前，研究团队进行了详细的结构和基于物理的计算研究，以解释使用石墨烯增强金属导电性的现象。

在这项研究中，他们表明，用于挤出复合线材的固相加工会产生均匀、近乎无孔的微观结构，其中点缀着微小的石墨烯薄片和簇，这可能是降低复合材料电阻系数的原因。

研究团队继续致力于定制铜-石墨烯材料并测量其他基本性能，例如强度、疲劳、腐蚀和耐磨性，所有这些对于使此类材料适合工业应用至关重要。在这些实验中，研究团队正在制造厚度约为一美分（1.5 毫米）的电线。

参考文章

1. Bharat Gwalani, Xiao Li, Aditya Nittala, Woongjo Choi, Md. Reza-E-Rabby, Julian Escobar Atehortua, Arun Bhattacharjee, Mayur Pole, Joshua Silverstein, Miao Song, Keerti Kappagantula (2024) “Unprecedented electrical performance of friction-extruded copper-graphene composites,” Materials & Design, Volume 237, 112555 doi: 10.1016/j.matdes.2023.112555

2. Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE™)，Battelle Number: 30343-CIP | N/A，

来源：汽车材料网翻译整理

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