提高电力效率

从发电厂到家庭和办公室，使用导电材料的设备构成了现代社会的基础。如果没有导电材料，世界就没有照亮夜晚的灯光，没有保存食物的冰箱，也没有全球通讯的互联网。

然而，导电材料（例如布线中使用的铜）具有固有的局限性，会导致传输过程中约 15% 的能量损失。

亚利桑那州立大学 Ira A. Fulton 工程学院下属的物质、运输和能源工程学院的机械工程助理教授 Wonmo Kang 正确地看待了电力损失量。

“你可能认为 15% 的损失并不算多，但当你将其转化为全国范围时，我们谈论的是美国每年损失 0.6 万亿千瓦，”康说。 “这很重要。我有兴趣为此做点什么。”

Kang 获得了美国国家科学基金会教师早期职业发展计划 (CAREER) 奖，以开发一种具有超高导电性能的材料的新型制造技术。超高导体材料是指具有极高导电率的材料，其导电率超过了纯铜等传统导体。康的目标是提高电力传输的效率，从而有可能改变关键的电力基础设施。

为社会电力奠定更好的基础

铜是世界上使用最广泛的导体材料，但其有限的电导率会通过称为“焦耳热”的过程导致大量能量损失。当电流通过铜时，当电子从一端移动到另一端时，它会产生热量，从而导致能量耗散。

为了解决这个问题，康开始寻找替代材料，其导电性可以超越铜，而无需像银那样成本高昂。虽然银的导电性能比铜好，但其高货币价值意味着它在广泛的电力应用中在经济上不可行。

“银的导电性比铜稍好，但成本很高——几乎贵了 100 倍，”他说。

Kang的研究随后转向碳复合材料，特别是铜和石墨烯的组合。

石墨烯被称为未来的材料，是一种只有一个原子厚的二维碳材料。它因其卓越的性能而脱颖而出，包括与铜集成时的高导电率，但前提是使用适当的技术来组合材料。

“传统上，石墨烯与金属的结合是通过积极的混合技术来完成的，”Kang说。 “这破坏了石墨烯的连续结构，将其破碎成分散在整个金属中的小薄片。”

当引入电流时，这种碎片会阻碍金属和分散的石墨烯颗粒之间的电子流动，导致材料的整体电导率降低。

为了最大限度地减少电导率的降低，Kang 采用了化学气相沉积工艺，该工艺对铜和石墨烯进行了一系列温和的压缩步骤。该方法旨在保留两种材料的自然连续结构。

“我们的目标是制造一种复合材料，其中铜和石墨烯形成不间断的通道，使电流自由流动，从而优化导电性，”Kang说。

Failing forward

Kang提出的增强材料导电性的创新方法是铜-石墨烯复合材料领域的一项重大进步。

“我们的初步数据表明，使用我们的方法制造的材料的电导率比传统方法高出约 41%，”他说。 “这标志着铜-石墨烯复合材料有史以来最高的导电率水平。”

Kang已经用极少量的材料成功证明了他的方法的有效性，但他还没有弄清楚如何扩大制造过程。

他说：“这个奖项将帮助我们加深对为什么这种制造方法优于其他方法的理解，并探索如何扩大我们的工艺，以有效地制造更大的超高导体材料。”

五年后，Kang的目标是将他的发明从实验室转移到市场，其总体目标是改进公众使用的电气技术。

“我发现这种转变具有挑战性，因为我的经验主要集中在学术界，而不是工业界，”他说。 “我计划寻求经验丰富的教师的指导，以有效地度过这段旅程。”

清洁空气之路

Kang的研究可能会影响各个行业，特别是电动汽车（EV）行业。随着世界转向可持续能源解决方案，对电动汽车的需求正在猛增，2023 年电动和混合动力汽车将占轻型汽车总销量的 16% 以上就证明了这一点。

Kang的工作可以显着提高电动机的效率和性能是电动汽车的心脏，通过增强与其连接的电线的导电性。这一改进转化为实际效益，例如电动汽车的续航里程延长、能耗降低和运营成本降低。

“除了对各行业的潜在影响外，超高导电率材料还将减少碳排放，为应对气候变化做出重大进展，”他说。

通过职业奖的资助，Kang将通过实验室参观和利用不同课堂活动的发现向感兴趣的学生介绍他的研究。最后，Kang将支持有少数族裔背景的学生，特别是他的研究小组中的一名女博士生和一名拉丁裔本科生。