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Revolutionäres spiralförmiges Hybrid-Material ist stark, leicht und leitfähig

Ein EU-finanziertes Projekt hat die Vorzüge von Aluminium und Kupfer in einer neuen leichten, leitfähigen, spiralförmigen Innenstruktur vereint, die in unterirdischen Niederspannungsleitungen verwendet werden könnte.

Industrielle Technologien

Unter den handelsüblichen Metallen haben Kupfer und Aluminium den geringsten elektrischen Widerstand und bilden somit gute elektrische Leiter. Tatsächlich werden alle Metalle an der elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer gemessen – im Jahr 1913 definierte die Internationale Elektrotechnische Kommission den internationalen Standard für geglühtes Kupfer (IACS) in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer und setzte diesen auf 100 % IACS (58,00 MS/m) fest. Das bedeutet jedoch nicht, dass Kupfer keinen Widerstand hat, sondern vielmehr, dass es der Standard ist, an dem andere Materialien gemessen werden. Ein Aluminiumdraht muss beispielsweise größer als ein Kupferdraht sein, um die gleiche Effizienz zu erreichen. Da Kupfer doppelt so stark wie Aluminium ist, muss der Querschnitt eines Aluminiumdrahtes doppelt so groß wie der des Kupferdrahtes sein, um die gleiche Tragfähigkeit zu erhalten. Im Allgemeinen ist Kupfer die erste Wahl für Elektro- und Telekommunikationsleitungen, während Aluminium, ein leichteres und kostengünstigeres Material, eher für Freileitungen geeignet ist.

Materialien auf neue Weise kombinieren

Von natürlichen biologischen Systemen inspirierte Strategien der Materialgestaltung können Formen und Anordnungen der Bausteine einführen, die Hybrid-Materialien neue Freiheitsgrade ermöglichen. Das EU-finanzierte Projekt HybridMat demonstrierte Hybrid-Materialien mit spiralförmiger Innenarchitektur, die außergewöhnliche physikalische und mechanische Eigenschaften besitzen. Das Hybrid-Material kombiniert die hohe Festigkeit und hohe Leitfähigkeit von Kupfer mit dem geringen Gewicht und den niedrigen Kosten von Aluminium. Die Forschenden untersuchten viele verschiedene Helix-Parameter, um herauszufinden, welche Anordnung zu einer verbesserten Festigkeit und Leitfähigkeit bei Hybrid-Leitern führt. Besonderes Augenmerk galt der Entwicklung intermetallischer Phasen, die sich während der Verarbeitung an der Grenzfläche zwischen Aluminium und Kupfer bildeten. Diese Art intermetallischer Legierung weist bekanntermaßen eine geringere Leitfähigkeit als die jeweiligen reinen Komponenten auf, was zusätzlich zu ihrer intrinsischen Sprödigkeit die positiven Auswirkungen des Hybrid-Materials beeinträchtigen kann. Das Projektteam entwickelte außerdem ein neues Analysemodell zur Vorhersage der effektiven elektrischen Leitfähigkeit von Hybrid-Materialproben. Dieses Modell berücksichtigt das Vorhandensein einer intermetallischen Schicht. Entgegen der Mischungsregel hängt das Modell von zwei Parametern ab – dem Volumenanteil des Kupfers und der Geometrie des spiralförmigen Bestandteils. „Das Modell hat maßgeblich dazu beigetragen, zu beurteilen, wie sich die Helix-Parameter und die Grenzflächenbreite auf die effektive Leitfähigkeit der Hybrid-Materialproben auswirken, und eignet sich daher für die optimale Auslegung von Hybrid-Leitern“, erklärt Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiatin Rimma Lapovok.

Metallverformung im Nanobereich

Es wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um SPD-Techniken (schwere plastische Verformung) zu entwickeln – Metallverformungsverfahren, bei denen Scherspannungen auf metallische Schüttgüter übertragen werden. Die Scherspannung führt dabei zu extrem ultrafeinen Korngrößen bis in den Nanometerbereich. „Die schwere plastische Verformung eröffnet neue Möglichkeiten zur Herstellung von Hybrid-Materialien mit verbesserten physikalischen und mechanischen Eigenschaften, wie z. B. hohe Festigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit, für gezielte industrielle Anwendungen. Wir haben gezeigt, dass Proben von Hybrid-Materialien mit spiralförmiger Verstärkung im Vergleich zu Proben mit geradliniger Parallelverstärkung eine höhere Festigkeit, eine erhöhte Tragfähigkeit und eine höhere Kaltverfestigung während der Verformung aufweisen“, so Lapovok abschließend.

Schlüsselbegriffe

HybridMat, Kupfer, Hybrid-Material, Aluminium, Leitfähigkeit, Festigkeit, Tragfähigkeit, schwere plastische Verformung

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