Elektrikli Araçlarda Yeni Kompozit Malzeme Dönemi
Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim adamları, son derece verimli ve güç yoğunluklu elektrikli araç çekiş motorlarında kullanılmak üzere ölçeklendirilebilen yeni bir malzeme sağlamak amacıyla, bakır tellerin elektrik akımı kapasitesini artıran bir kompozit malzeme üretmek için yeni teknikler kullandılar.
Bu araştırma, sahip olma maliyetini düşürmek, elektrik motorları ve güç elektroniği gibi bileşenlerin performansını ve ömrünü iyileştirmek de dahil olmak üzere daha geniş elektrikli araç kullanımının önündeki engelleri azaltmayı hedeflemektedir. Malzeme tıpkı kablolu ve kablosuz şarj sistemleri uygulamalarında olduğu gibi, daha verimli baralar ve elektrikli araç çekiş invertleri için daha küçük konektörler dahil, bakır kullanan herhangi bir bileşene yerleştirilebilir.
Geliştirilmiş performanslı daha hafif iletken bir malzeme üretmek amacıyla ORNL araştırmacılarının karbon nanotüpleri yassı bakır yüzeyler üzerine yerleştirip sıralaması, tek başına bakırdan daha iyi akım işleme kapasitesine ve mekanik özelliklere sahip bir metal-matrisli kompozit malzeme ile sonuçlandı.
İletkenliği ve mekanik performansı geliştirmek için karbon nanotüpleri, KNTleri, bir bakır matrise dahil etmek yeni bir fikir değil. KNTler, hafiflik, olağanüstü sağlamlık ve iletkenlik özellikleri bakımından mükemmel bir seçimdir. Fakat başka araştırmacıların kompozitlere yönelik geçmiş girişimleri sadece sınırlı ölçeklenebilirlik ile birlikte mikrometre veya milimetre gibi çok kısa malzeme uzunluklarında veya kötü performans gösteren daha büyük uzunluklarda sonuçlanmıştır.
ORNL ekibi, bir sıvı huzmesinin bir elektrik alan boyunca hızlandıkça lifler oluşturduğu ve ticari olarak uygun bir yöntem olan elektro lif çekim yöntemi kullanarak, yerleştirilen tek duvarlı karbon nanotüpleri ile deney yapmaya karar verdi. ORNL’deki Kimyasal Bilimler Bölümü’nde bir doktora sonrası araştırmacı olan Kai Li, bu yöntemin yerleştirilen malzemelerin yapısı ve yönü üzerinde kontrol sağladığını açıkladı. Bu durumda, bu işlem geliştirilmiş elektrik akışını kolaylaştırmak için bilim adamlarına, tek bir genel yöndeki karbon nanotüpleri başarılı bir şekilde yönlendirmeye olanak sağladı.
Ekip daha sonra KNT kaplı bakır bantlarının üzerine ince bakır film tabakaları eklemek için bir vakumlu kaplama tekniği olan magnetron püskürtme tekniğini kullandı. Sonra yoğun, tekdüze bakır bir tabaka oluşturarak oldukça iletken bir Cu-KNT ağı üretmek için ve bakırın KNT matrisi içindeki difüzyonuna olanak vermek için kaplanmış numuneler bir vakum fırınında tavlandı.
ORNL’deki bilim adamları bu metodu kullanarak 10 cm uzunluğunda ve 4 cm genişliğinde istisnai özelliklere sahip bir bakır-karbon nanotüp takviyeli kompozit malzeme ürettiler. Malzemenin mikroyapısal özellikleri ORNL’deki bir ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi kullanıcı tesisi olan Nanofaz Malzeme Bilimleri Merkezi’ndeki cihazlar kullanılarak incelendi. Araştırmacılar ACS Applied Nano Materials dergisinde ayrıntılı olarak açıklandığı gibi, bu kompozit malzemenin saf bakır ile karşılaştırıldığında %20’ye kadar geliştirilmiş mekanik özellikler ile halihazırdaki kapasitesinden %14 daha fazlasına ulaştığı sonucuna vardı.
Projenin baş araştırmacısı Tolga Aytuğ, “karbon nanotüplerin bütün muhteşem özelliklerini bakır matrise yerleştirerek, daha iyi mekanik özellikler, daha hafif bir malzeme ve daha yüksek akım kapasitesi elde etmeyi amaçlıyoruz. O zaman daha az güç kaybıyla daha iyi bir iletken edinirsiniz ve bu da cihazın verimliliğini ve performansını artırır. Arttırılmış performans, örneğin ileri düzey motor sistemlerinde hacmi azaltmak ve güç yoğunluğunu artırmak anlamına gelir” dedi.
Çalışma, düşük dirençle elektrik iletmek için üstün malzemeler üretimini konu edinen zengin bir süperiletkenlik araştırması geçmişine dayanmaktadır. Laboratuvarın süperiletken tel teknolojisi bir çok endüstri tedarikçisine lisanslandı ve minimum güç kaybıyla yüksek kapasiteli elektrik iletimi gibi kullanımları mümkün kıldı.
“Kompozit malzemelerdeki bu yeni dönüm noktası, elektrik motorları için doğrudan etkilere sahipken, ayrıca kütle ve boyutun önemli bir ölçü olduğu uygulamalarda elektriklendirmeyi de iyileştirebilir.” dedi Aytuğ. “Ticari olarak uygulanabilir tekniklerle gerçekleştirilen geliştirilmiş performans özellikleri, geniş bir yelpazedeki elektrik sistemleri ve endüstri uygulamalarında kullanılacak olan ileri düzeyde iletkenler tasarlamak için yeni imkanlar anlamına gelmektedir” diye de ekledi.
ORNL ekibi ayrıca 1 metre uzunluğunda numuneler üretmek için çift duvarlı KNTlerin kullanımını ve rulodan ruloya sistemi ile birleştirilmiş ultrasonik sprey kaplama gibi diğer yerleştirme tekniklerini keşfetmektedir.
“Elektrik motorları temelde metallerin bir kombinasyonudur (çelik laminasyon ve bakır sargıların)” dedi ORNL Elektrikli Sürücü Teknolojileri Programının yöneticisi ve Güç Elektroniği ve Elektrik Makinaları grubunun lideri Burak Özpineci. “ABD Enerji Bakanlığı’nın Araç Teknolojileri Ofisi’nin 2025 elektrikli araç hedefleri ve amaçlarını karşılayabilmek için, elektrikli sürücünün güç yoğunluğunu artırmamız ve motorun hacmini 8 kat düşürmemiz gerekmektedir ve bu malzemenin özelliklerini geliştirmek anlamına gelir.” diye ekledi.
Bu projedeki diğer ORNL bilim adamları Micheal McGuire, Andrew Lupini, Lydia Skolrood, Fred List ve Soydan Özcan idiler. Çalışma ABD Enerji Bakanlığı’nın Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi ve Araç Teknolojileri Ofisi tarafından finanse edildi.
Kaynak: [1] sciencedaily.com
[2] Kai Li, Michael McGuire, Andrew Lupini, Lydia Skolrood, Fred List, Burak Ozpineci, Soydan Ozcan, Tolga Aytug. Copper–Carbon Nanotube Composites Enabled by Electrospinning for Advanced Conductors. ACS Applied Nano Materials, 2020; 3 (7): 6863 DOI: 10.1021/acsanm.0c01236
