Skip to main content

New Material Hybrids With Helical Inner Architecture: Fundamentals And Technology

Article Category

Article available in the folowing languages:

Rewolucyjny spiralny materiał hybrydowy, który jest mocny i lekki, a przy tym przewodzi prąd

Uczestnicy pewnego finansowanego przez UE projektu pracują nad połączeniem właściwości aluminium i miedzi w nowej lekkiej, przewodzącej strukturze wewnętrznej o spiralnym kształcie, która będzie mogła być stosowana w prowadzonych pod ziemią kablach energetycznych niskiego napięcia.

Technologie przemysłowe

Miedź i aluminium wyróżniają się pośród metali do komercyjnych zastosowań niskim oporem elektrycznym, dzięki czemu są świetnymi przewodnikami elektrycznymi. Co więcej, przewodność elektryczną wszystkich metali ocenia się, porównujące je do miedzi – w 1913 roku Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna określiła międzynarodowy standard miedzi wyżarzonej (ang. International Annealed Copper Standard, IACS) dla przewodności elektrycznej miedzi, ustalając, że ma ona wartość 100 % IACS (58,00 MS/m). Nie oznacza to, że miedź cechuje się zerowym oporem, a raczej to, że wyznacza ona normę, na podstawie której analizuje się inne substancje. Aluminiowy przewód musi być większy niż jego miedziany odpowiednik, by tak samo sprawnie przewodzić prąd. Ponieważ miedź jest dwukrotnie bardziej wytrzymała niż aluminium, przekrój poprzeczny aluminiowego przewodu musi być dwa razy większy niż miedzianego, by mieć taką samą obciążalność. Co do zasady miedź jest stosowana w przewodach rozwiązań elektronicznych i telekomunikacyjnych, a lżejsze i tańsze aluminium nadaje się do użytku w napowietrznych liniach energetycznych.

Nowe metody łączenia materiałów

Strategie projektowania materiałów inspirowane naturalnymi układami biologicznymi mogą pozwolić na uzyskiwanie takich kształtów i kompozycji elementów budulcowych, które wyznaczą nowy poziom swobody w tworzeniu rozwiązań hybrydowych. Uczestnicy finansowanego przez UE projektu HybridMat przedstawili materiał hybrydowy o spiralnej strukturze wewnętrznej, który wykazuje wyjątkowe właściwości fizyczne i mechaniczne. Hybryda ta łączy wysoką wytrzymałość i przewodność miedzi z lekkością i niską ceną aluminium. Naukowcy zbadali wiele różnych parametrów spirali, by znaleźć konstrukcję, która zapewni większą wytrzymałość i przewodność przewodnika hybrydowego. Szczególną uwagę poświęcono ewolucji faz miedzymetalicznych, które powstają w czasie obróbki na styku miedzi i aluminium. Ten rodzaj stopu międzymetalicznego jest znany z wykazywania mniejszej przewodności niż odpowiadające mu elementy bez domieszek, które oprócz cechowania się naturalną kruchością mogą też zminimalizować zalety materiału hybrydowego. Zespół opracował również nowy model analityczny do prognozowania rzeczywistej przewodności elektrycznej próbek hybrydowych. Model ten uwzględnia obecność warstwy międzymetalicznej. Inaczej niż jest w wypadku reguły mieszanin, model ten zależy od dwóch parametrów – objętościowego udziału miedzi i geometrii elementu spiralnego. „Model ten odegrał kluczową rolę w analizie tego, jak parametry spirali oraz szerokość powierzchni styku wpływają na rzeczywistą przewodność próbki hybrydowej, przez co umożliwił on zoptymalizowanie konstrukcji przewodników hybrydowych”, wyjaśnia Rimma Lapovok, stypendystka działania „Maria Skłodowska-Curie”.

Nanoodkształcenia metalu

Wiele wysiłku włożono również w opracowanie technik uzyskiwania dużych odkształceń plastycznych (SPD). Są to procesy formowania metali, które prowadzą do powstawania odkształceń przy ścinaniu dużych objętościowo materiałów metalowych. Ścinanie pozwala uzyskać niezwykle drobne, dokładne elementy, których rozmiar można mierzyć w nanometrach. „Technologia SPD otwiera nowe możliwości w zakresie produkowania materiałów hybrydowych o ulepszonych właściwościach fizycznych i mechanicznych, np. większej wytrzymałości i przewodności elektrycznej, na potrzeby konkretnych zastosowań przemysłowych. Wykazaliśmy, że próbki hybrydowe o spiralnym wzmocnieniu cechują się większą wytrzymałością i obciążalnością oraz silniejszym umocnieniem odkształceniowym podczas deformacji niż próbki, w których takie wzmocnienie miało prostą strukturę”, podsumowuje Lapovok.

Słowa kluczowe

HybridMat, miedź, materiał hybrydowy, aluminium, przewodność, wytrzymałość, obciążalność, znaczące odkształcenie plastyczne

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania