通用汽车与PNNL合作研发新型铜复合材料,进一步发展电动机轻量化

2020-11-4 14:20 237 0 来自: 旺材汽车轻量化
简介
【汽车轻量化在线】1. “更好”的铜意味着更高效率的电动机新的制造工艺可在批量生产中获得最高导电率的铜复合材料美国西北太平洋国家实验室(PNNL)的研究人员研发出一种新型铜复合材料,这种材料具有高电导率,将 ...

汽车轻量化在线】1. “更好”的铜意味着更高效率的电动机

新的制造工艺可在批量生产中获得最高导电率的铜复合材料

美国西北太平洋国家实验室(PNNL)的研究人员研发出一种新型铜复合材料,这种材料具有高电导率,将铜线的电导率提高了大约5%。

这个数值看起来似乎很小,但可以在电机效率上产生很大的差异。更高的电导率还意味着为了达到相同的效率需要更少的铜,这有望减少我们的电动汽车提供动力的各种组件的重量和体积。

PNNL与通用汽车(GM)合作,测试用于汽车电机部件的强化铜线。研究小组验证了电导率的增加,并发现它还具有更高的延展性,能够在断裂前延伸得更远。在其他物理性能方面,它就像普通的铜一样,可以焊接并承受其他机械应力也不会降低性能。

这意味着不需要专门的制造方法来组装电动机,而只需使用新型的先进PNNL铜复合材料即可。

该技术可以应用于任何使用铜来传输电能的行业,包括电力传输,电子产品,无线充电器,电动机,发电机,海底电缆和电池


2. PNNL的ShAPE™工艺

PNNL的研究人员通过ShAPE™工艺将石墨烯(一种高导电性、纳米级的碳原子薄片)添加到铜中并制成线材。

ShAPE™代表Shear Assisted Processing and Extrusion。

当金属或复合材料被推入模具创造出新的形状时,旋转金属或复合材料施加反作用力或剪切力。这种新颖、节能的方法通过变形金属来产生内部加热,使其软化并形成线、管和棒。

“ShAPE™工艺是第一个在整体规模上提高了铜电导率的工艺,这意味着它可以生产出行业目前使用的尺寸和格式的材料,例如线材和棒材,”PNNL首席研究员格伦·格兰特说。

“以前已经研究了将石墨烯添加到铜中的好处,但是这些研究主要集中在制造极其昂贵且耗时的薄膜或分层结构上。ShAPE™工艺首次证明通过扩展工艺制造的铜-石墨烯复合材料的导电性显著提高。”


3. 高导电金属或可用于电动汽车

根据美国能源部2018年发布的一份关于电动汽车的报告,有必要提高电动机效率以增加电动汽车的功率密度。另外,部件需要装配在车辆可用越来越小的空间内。

但是降低电机体积受限于目前电动汽车所用的材料和铜绕组的电导率。

已经证实很难在铜中添加石墨烯,因为添加剂不能均匀混合,从而在结构内形成团块和孔隙。而ShAPE™工艺可以消除这些孔隙空间,同时还使添加剂均匀地分布在金属内,这可能是提高电导率的原因。    

PNNL的研究人员表示:“石墨烯能够均匀分散的原因是:通过ShAPE™工艺,仅需要极少量添加剂(约百万分之六),即可使导电率大幅提高5%。” 

“其他方法需要大量的石墨烯,这制造起来非常昂贵,也未达到我们在批量生产中证明的高导电率。”

通用汽车(GM)研究和开发工程师证实,高导电率铜线可以用和传统铜线完全相同的方式进行焊接、钎焊、成型。这意味着可以与现有的电机制造流程无缝融合。 

PNNL能源工艺和材料部的Darrell Herling表示:“对于进一步发展电动机轻量化而言,材料方面的进步是新的范例。” 

“对于任何电动机或无线汽车充电系统而言,使用较高电导率的铜可能是一种减轻重量和或提高效率的颠覆性技术。” 


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