علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Adding a small amount of solid carbon to copper boosts its conductivity
(Karyn Hede, (PNNL) – بقلم: كارين هيدي، مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني)
ملخص المقالة:
أتاح مزج الجرافين بنسبة مناسبة مع النحاس لصنع الأسلاك الكهربائية تحسينات ملحوظة في الأداء، حيث ادى الى تعزيز خاصية مهمة للمعادن تسمى معامل درجة الحرارة للمقاومة التي تشرح سبب ارتفاع حرارة الأسلاك المعدنية عند مرور تيار كهربائي من خلالها. وعندما أضاف علماء مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني 18 جزءًا في المليون من الجرافين إلى النحاس الكهربائي، انخفض معامل درجة الحرارة للمقاومة بنسبة 11 بالمائة دون تقليل التوصيل الكهربائي في درجة حرارة الغرفة.
( المقالة )
يتيح مركب الكربون الشائع تحسينات ملحوظة في الأداء عند مزجه بنسبة مناسبة مع النحاس لصنع الأسلاك الكهربائية. إنها ظاهرة تتحدى الحكمة التقليدية حول كيفية توصيل المعادن للكهرباء.
ويمكن أن تؤدي النتائج، التي نُشرت في مجلة “المواد والتصميم” (Materials & Design)، إلى توزيع الكهرباء بشكل أكثر كفاءة على المنازل والشركات، بالإضافة إلى محركات أكثر كفاءة لتشغيل السيارات الكهربائية والمعدات الصناعية. وتقدم الفريق بطلب للحصول على براءة اختراع لهذا العمل، والذي تم دعمه من قبل مكتب “المواد المتقدمة وتقنيات التصنيع” التابع لوزارة الطاقة.
وقد اكتشفت عالمة المواد كيرتي كاباغانتولا وزملاؤها في المختبر الوطني لشمال غرب المحيط الهادئ التابع لوزارة الطاقة أن الجرافين، وهو طبقات مفردة من نفس الجرافيت الموجود في أقلام الرصاص، يمكن أن يعزز خاصية مهمة للمعادن تسمى معامل درجة الحرارة للمقاومة.
وتشرح هذه الخاصية سبب ارتفاع حرارة الأسلاك المعدنية عند مرور تيار كهربائي من خلالها. ويريد الباحثون تقليل هذه المقاومة مع تعزيز قدرة المعدن على توصيل الكهرباء. ولعدة سنوات، كانوا يتساءلون عما إذا كان من الممكن زيادة الموصلية المعدنية، خاصة في درجات الحرارة المرتفعة، عن طريق إضافة مواد أخرى إليها. وإذا كانت الإجابة بنعم، فهل يمكن لهذه المركبات أن تكون قابلة للتطبيق على نطاق تجاري؟
وقد أثبتوا الآن أنهم قادرون على فعل ذلك، باستخدام منصة تصنيع مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني (PNNL) المتقدمة الحاصلة على براءة اختراع تسمى المعالجة والبثق بمساعدة القص[1] (ShAPETM).
وعندما أضاف فريق البحث 18 جزءًا في المليون من الجرافين إلى النحاس الكهربائي، انخفض معامل درجة الحرارة للمقاومة بنسبة 11 بالمائة دون تقليل التوصيل الكهربائي في درجة حرارة الغرفة. وينطبق هذا على تصنيع محركات السيارات الكهربائية، حيث تترجم زيادة بنسبة 11 بالمائة في التوصيل الكهربائي لملفات الأسلاك النحاسية إلى زيادة بنسبة 1 بالمائة في كفاءة المحرك.
وقالت كاباغانتولا: “هذا الاكتشاف يتعارض مع ما هو معروف بشكل عام عن سلوك المعادن كموصلات”. وتابعت: “عادة، يؤدي إدخال المواد المضافة إلى المعدن إلى زيادة معامل درجة الحرارة للمقاومة، مما يعني أنها تسخن بشكل أسرع عند نفس المستويات الحالية مقارنة بالمعادن النقية. نحن نصف خاصية جديدة ومثيرة لهذا المركب المعدني حيث نلاحظ الموصلية المحسنة في سلك نحاس مصنع”.
البنية المجهرية هي المفتاح لتعزيز الجرافين
سبق أن أجرى الفريق البحثي دراسات حسابية تفصيلية هيكلية وفيزيائية لشرح ظاهرة تعزيز التوصيل الكهربائي للمعادن باستخدام الجرافين.
وفي هذه الدراسة، أظهروا أن معالجة الطور الصلب المستخدمة لبثق السلك المركب تؤدي إلى بنية مجهرية موحدة وخالية من المسام تقريبًا تتخللها رقائق صغيرة ومجموعات من الجرافين التي قد تكون مسؤولة عن انخفاض معامل مقاومة المركب. وقالت كاباغانتولا: “لقد أظهرنا أن الرقائق والمجموعات يجب أن تكون موجودة لصنع موصلات أفضل لعمليات درجات الحرارة المرتفعة”.
واستفاد المؤلفون المشاركون بهارات جوالاني وشياو لي وأديتيا نيتالا من اختبار مصمم من قبل المختبر الوطني لشمال غرب المحيط الهادئ والذي يقيس الخواص الكهربائية بدقة عالية للتحقق من صحة الموصلية المحسنة، كما ينعكس في التحليل التجريبي التفصيلي للفريق. وقام لي ومحمد رضا الربي بتطوير الأدوات والأظرف العملية لعملية البثق الاحتكاكي في الطور الصلب التي أدت إلى الحصول على براءة الاختراع.
نحو محركات نحاسية وأسلاك أكثر كفاءة للمباني الحضرية
عند تطبيقها على أي تطبيق صناعي، ستوفر الأسلاك المركبة الجديدة من النحاس والجرافين مرونة كبيرة في التصميم، وفقًا لفريق البحث. وقالت كاباغانتولا: “في أي مكان تتوفر فيه الكهرباء، لدينا حالة استخدام”.
فعلى سبيل المثال، يتم استخدام أشكال الأسلاك النحاسية الملفوفة في قلب المحركات والمولدات الكهربائية. وقد تم تصميم المحركات اليوم لتعمل ضمن نطاق درجة حرارة محدود، لأنه عندما تصبح ساخنة جدًا، تنخفض الموصلية الكهربائية بشكل كبير. ومع مركب النحاس والجرافين الجديد، يمكن تشغيل المحركات في درجات حرارة أعلى دون فقدان الموصلية.
وبالمثل، فإن الأسلاك التي تنقل الكهرباء من خطوط النقل إلى المنازل والشركات عادة ما تكون مصنوعة من النحاس. ومع زيادة الكثافة السكانية في المدن، فإن الطلب على الطاقة يحذو حذوها. يمكن أن يساعد السلك المركب الأكثر موصلية في تلبية هذا الطلب مع توفير الكفاءة.
وأضافت كاباغانتولا: “تعد هذه التقنية حلاً رائعًا للأسلاك النحاسية في المناطق الحضرية ذات الكثافة السكانية العالية”.
ويواصل فريق البحث عمله لتكييف (تعديل) مادة النحاس والجرافين وقياس الخصائص الأساسية الأخرى، مثل القوة والاجهاد والصدأ ومقاومة الإنهاك (التآكل)، والتي تعد ضرورية لتأهيل هذه المواد للتطبيقات الصناعية. ولإجراء هذه التجارب، يقوم فريق البحث بتصنيع أسلاك يبلغ سمكها تقريبًا سمك البنس الأمريكي (1.5 ملم).
*تمت الترجمة بتصرف
لمزيد من المعلومات: Bharat Gwalani et al, Unprecedented electrical performance of friction-extruded copper-graphene composites, Materials & Design (2023). DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112555
المصدر:
https://phys.org/news/2023-12-adding-small-amount-solid-carbon.html
الهوامش:
[1] المعالجة والبثق بمساعدة القص (ShAPETM) هي طريقة مختلفة جذريًا تعيد تشكيل طريقة بثق المعدن، حيث تقوم بخلط وتشويه المواد الخام الصلبة بشكل فريد دون ذوبان أو معالجة حرارية خارجية. إن توفير التكلفة والطاقة، بالإضافة إلى إمكانية تحسين خصائص المواد، يمكن أن يفيد مجموعة متنوعة من الصناعات. ويمكن أن تستفيد من ذلك السيارات والمركبات الفضائية، وقطاع الطاقة، والرعاية الصحية، وصناعات إعادة التدوير بطرق مختلفة. عملية المعالجة والبثق بمساعدة القص في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني الحاصلة على براءة اختراع تتضمن آلة بثق جديدة وأدوات وتقنيات معالجة مرتبطة بها لتصنيع الأسلاك والقضبان والأنابيب عالية الأداء. وتحتوي الآلة على رأس دوار يدور 500 مرة في الدقيقة مع عزم دوران يبلغ 2200 رطل. ويحتوي الطرف الآخر من الآلة على مكبس هيدروليكي قادر على ممارسة قوة تبلغ 200000 رطل على الرأس الدوار. المصدر: https://www.pnnl.gov/shape