zilm (zilm) wrote,
zilm
zilm

CNT-Cu композит показывает рекордный допустимый ток

Я не пишу ничего о различных Battery breakthrough, потому что новости такого типа есть каждую неделю, и обычно они не breakthrough. Те технологии, которые нужны рынку лет через 5, уже разработаны, остаётся только наладить массовое производство, вытащить их из лабораторий. Когда кто-нибудь произведёт фабрично пусть и не миллионами те же LiS-аккумуляторы, подтвердит их характеристики, тогда будет о чём написать. А реально новых прорывов в области батарей, которые могли бы стать ориентиром на производство через 10-20 лет пока нет. Но на этой неделе я наткнулся не на очередной Battery breakthrough, а на исследование из немного другой оперы, из оперы проводников.


Где-то на этой фиговине находится тот самый CNT-Cu проводник.

Kenji Hata, Takeo Yamada и ещё несколько крутых чуваков из японского Национального Института Современной Индустриальной Науки и Технологий разработали композит из меди и карбоновых нанотрубок с сопоставимой с медью электропроводностью и в 100 раз большей допустимой силой тока, чем у меди.

Используя органическое и гальваническое покрытие медными ионами и одностенные CNT синтезированные с помощью Супер Роста (уже может показаться, что я что-то пытаюсь вам продать, но вот если чё пруф) получили композит из карбоновых нанотрубок и меди. Композит лёгок и показывает беспрецедентно высокую электропроводимость и допустимую силу тока. Мало того, с ростом температуры электропроводимость остаётся высокой. Таким образом, материал уже интересен как проводник в миниатюрных и высокопроизводительных электронных устройствах.

Научная работа сопровождалась проектом "Разработка инновационных композитов из CNT для общества с низким углеродным следом" (2010-2014) по поручению Организации по Разработке Новой Энергетики и Индустриальных Технологий (NEDO).


Схема получения композита.

В общем ближе к делу. Получили композит примерно так: 1) вырастили лес вертикально ориентированных CNT, которые под действием усилия сделали горизонтальными (2), на получившуюся матрицу из CNT осадили (3) зёрна меди в органическом растворителе гальваническим методом, и посредством уже водной гальваники (4) получили окончательный CNT-Cu композит. Выглядит просто, но главной проблемой было равномерно заполнить матрицу CNT ионами меди. Сразу использовать для этого водное электроосаждение не получится из-за того, что углеродные нанотрубки гидрофобны. Более того, в лоб использовать органический электролит, осаждая с высокой плотностью тока (50-100 мА/см2) тоже не получится, потому что медь оседает в этом случае только на поверхности трубок и не заполняет матрицу.

Но, в общем, японцы справились, осадив сначала медь из органического растворителя, содержащего медь, а потом уже использовав водное электроосаждение. Из органического растворителя осаждали медь при очень низкой плотности тока (1-5 мА/см2). Поскольку осаждалась как медь, так и оксид меди, после этого матрицу промывали и восстанавливали оксид до чистой меди в атмосфере водорода. Затем матрицу заполняли медью обычным водным гальванизированием. После этого её снова промывали и нагревали в атмосфере водорода. Так и получали однородный CNT-Cu композит, используя медленное электроосаждение в органическом электролите, которое совместимо с CNT, а только затем электроосаждение в водном растворе, которое совместимо с медью.


Испытания на допустимую силу тока.

Далее взяли для испытаний полученный образец, такой же из меди и золота, и сравнили допустимую силу тока для них. Медный и золотой разрушились при плотности тока 6*106 А/см2, а CNT-Cu композит продержался до 690*106 А/см2. Допустимую плотность тока определяют как максимальную плотность тока, при которой сопротивление остаётся константой. Для меди получилось 6.1*106 А/см2, для золота 6.3*106 А/см2, а для нового композита 600*106 А/см2, то есть почти в 100 раз больше, чем у традиционных проводников.

3-carbonnanotu

Электропроводность CNT-Cu композита чуть-чуть похуже,
но уже при 80 °C становится такой же как у меди.

Но это ещё не всё. При комнатной температуре электропроводность CNT-Cu композита 4.7*105 S/см, а у меди 5.8*105 S/см, но уже на 80 °C их электропроводность сравняется, а при 227 °C у композита будет в два раза больше. То есть CNT-Cu композит гораздо более толерантен к перегреву.

Фундаментально, электропроводность растёт от слабых межатомных связей, типа, как в металлах, а для высокой допустимой силы тока требуются сильные межатомные связи, например, как в CNT. Так что высокая электропроводность и высокая допустимая сила тока, по сути, взаимоисключающиеся характеристики. В то же время CNT-матрица, заполненная медью, даёт высокую электропроводность, CNT покрывает зёрна меди, препятствуя атомной диффузии на границе раздела фаз, и таким образом достигается высокая допустимая сила тока. А из-за того что часть композита заполнена CNT вместо меди, плотность композита 5.2 грамма на см3 против 8.9 у меди и 19 грамм на см3 у золота, так что композит ещё и почти в два раза легче меди.

Сейчас учёные нацелены на усовершенствование процесса получения композита и создание проводника для испытаний больших размеров, похожего на провод, и ищут какие-нибудь компании, которые заинтересованы в развитии этой технологии. Я надеюсь, они давно нашлись, потому что новость из прошлого года, но пресс-релизы по ней появились почему-то только сейчас.


Какая прикольная зверюшка получилась хорошо видно по этой картинке.
По оси X - электропроводность, по оси Y - допустимая сила тока.

Получается, что CNT-Cu при заявленных характеристиках может пропустить одинаковую с медным проводником мощность при в 100 раз меньшем сечении, и в те же 100 раз снизятся абсолютные потери при передаче за счёт меньшего сечения. При этом провод из CNT-Cu при одинаковом сечении с медным будет почти в 2 раза легче. В общем, в будущем, когда электромобили будут заряжаться за 1 минуту, в них не придётся для этого втыкать шнурок толщиной со слоновий хобот, чтобы прогнать все эти мегаватты, а 5 кВт на килограмм веса электромотора, с которых сейчас открывается рот от восхищения, будут характеристикой двигателей прошлого века. Но, естественно, если японцы не пудрят мозги и получили реально материал с такими свойствами. Но даже в этом случае композит первым делом доберётся до всяких миниатюрных устройств, где нужны доли грамма проводника, поскольку цена в начале будет, безусловно, зашкаливающей. Но в перспективе это дёшевые и доступные медь и углерод в качестве материалов.

Если что-то криво объяснил, прошу не пинать а помочь исправить, я физику последний раз видел лет 15 назад в школе.
ps: оригинальная научная работа публиковалась ещё в прошлом июле, видимо тогда она в популярную прессу не попала и прошла мимо меня. Там всё гораздо подробней, например, CNT-Cu композит тестировали в течении 1 200 ч с током 100 МА/см2 и он не ухудшил свои свойства, и много других подробностей.
Tags: cnt, технологии, электричество
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 15 comments