摘要：石墨烯作为铜基复合材料的理想增强相，近年来在提升材料性能及工业化应用方面取得了显著进展。一种全新的高电导率石墨烯铜基复合材料开始在线缆行业推广，已经有高速裸线工厂在验证其性能，其设计理论是石墨烯+铜，具有高导电率（57-59 MS/M）和高稳定性，而石墨烯的电
石墨烯作为铜基复合材料的理想增强相，近年来在提升材料性能及工业化应用方面取得了显著进展。一种全新的高电导率石墨烯铜基复合材料开始在线缆行业推广，已经有高速裸线工厂在验证其性能，其设计理论是石墨烯+铜，具有高导电率（57-59 MS/M）和高稳定性，而石墨烯的电导率高达100 MS/M，LTDF石墨烯的电导率比铜高出近70%，因此，以铜为基体、以石墨烯为增强相，制得的高导电性、高导热性、超高强度及电磁屏蔽性能优良的“超级铜”正越来越受到科研界和产业界的青睐。最新石墨烯铜基复合材料突破性进展，美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）的一个研究团队将石墨烯这种碳基材料添加到电铜中，发现它能够在不降低电导率的情况下，减少金属的电阻温度系数，这一成果有望带来电气效率的提升。
电阻温度系数解释了为什么铜线在通电时会发热，它是金属导电性的一个重要影响因素。如果金属温度过高，其导电性通常会降低。这一发现是在科学家们多年研究如何通过添加其他材料来增加金属导电性，尤其是在高温环境下取得的，这也颠覆了关于金属作为导体行为的传统科学认知。
铜（Cu）因其优良的导电性能被广泛应用于电机、发电机、建筑电线、充电器、变压器和电气接触等领域。随着对电气化和能源效率要求的提高，需要开发出比现有铜合金（如C10100和C11000）具有更高电性能的材料。来自PNNL的科学家们在《Materials & Design》杂志上发表的研究成果显示，通过剪切辅助加工和挤出（ShAPE）技术制造的铜-石墨烯复合材料，在电性能上取得了显著提升。具体而言，添加18ppm的石墨烯能够使C11000合金的电阻温度系数（TCR）降低近11%，研究人员发现，这一降低并没有减少材料在室温下的电导率。“我们证明了片状和团簇必须同时存在，才能制造出更适合高温运行的更好导体。”PNNL 的材料科学家、参与该研究的 Kappagantula 说。
图：（a）摩擦系数（CoF）随滑动时间的变化；（b）仅铜和铜-石墨烯（Cu-Gr）原料箔的磨损深度随磨损宽度的变化，这些原料箔用于制造各种ShAPE铜-石墨烯复合材料
图：（a）电阻温度系数（TCR）和（b）ShAPE仅铜及铜-石墨烯（Cu-Gr，简称CuG）复合材料的电导率随石墨烯（Gr）含量的变化
电阻温度系数解释了为什么铜线在通电时会发热，它是金属导电性的一个重要影响因素。如果金属温度过高，其导电性通常会降低。这一发现是在科学家们多年研究如何通过添加其他材料来增加金属导电性，尤其是在高温环境下取得的，这也颠覆了关于金属作为导体行为的传统科学认知。
铜（Cu）因其优良的导电性能被广泛应用于电机、发电机、建筑电线、充电器、变压器和电气接触等领域。随着对电气化和能源效率要求的提高，需要开发出比现有铜合金（如C10100和C11000）具有更高电性能的材料。来自PNNL的科学家们在《Materials & Design》杂志上发表的研究成果显示，通过剪切辅助加工和挤出（ShAPE）技术制造的铜-石墨烯复合材料，在电性能上取得了显著提升。具体而言，添加18ppm的石墨烯能够使C11000合金的电阻温度系数（TCR）降低近11%，研究人员发现，这一降低并没有减少材料在室温下的电导率。“我们证明了片状和团簇必须同时存在，才能制造出更适合高温运行的更好导体。”PNNL 的材料科学家、参与该研究的 Kappagantula 说。
图：铜-石墨烯半挤出区域的表征（a）逆极图、图像质量图和核平均误取向图（从左至右），这些图来自插图中光学图像中标记为矩形的区域；（b）逆极图、图像质量图和核平均误取向图（从左至右），这些图来自插图中光学图像中标记为矩形的区域。请注意，在铜-石墨烯样品中，晶粒尺寸和CSL边界浓度从角落到中心的增加，这与纯铜挤出物相比呈现出相反的趋势。
例如，在电动机和发电机的核心部分，使用的是盘绕的铜线。如今的电机被设计为在有限的温度范围内运行，因为当它们过热时，电导率会显著下降。由于这种复合材料可以降低电阻温度系数，电动机现在有可能在更高温度下运行而不失去导电性。
图：来自铜-石墨烯挤出物的透射电子显微镜（TEM）和原子探针断层扫描（APT）结果：（a-b）来自铜的扫描透射电子显微镜（STEM）图像，显示铜晶粒中富含碳（C）的纳米区域沿111晶面排列。（b）APT结果进一步证实了基体中碳的富集。（c）二维成分图显示铜基体中局部碳（约8%原子比）的富集。在特定晶面（可能是111晶面）上的明显排列与TEM观察结果一致
另一个潜在的用例是将电力输送到家庭和企业的输电线路，这些线路通常由铜制成。使用这种复合材料制成的电线可以在全球城市对电力需求增加的情况下提供更高的效率。
研究人员计划继续定制铜 - 石墨烯材料，同时测试厚度约为美国一分钱硬币，即 1.5 毫米的用该材料制成的电线。在实验中，他们将测量其他关键属性，如强度、疲劳、腐蚀和耐磨性，以测试其在工业应用中的可行性。
来源：线缆行业朋友圈
