Une découverte surprenante : le graphène améliore la conductivité des fils de cuivre

Une découverte surprenante pourrait changer la façon dont nous utilisons l’électricité. Un composé de carbone courant, le graphène, lorsqu’il est mélangé en proportion adéquate avec du cuivre pour fabriquer des fils électriques, permet d’améliorer considérablement leur performance. Cette découverte pourrait conduire à une distribution d’électricité plus efficace et à des moteurs plus performants pour les véhicules électriques et les équipements industriels.

Une propriété métallique améliorée par le graphène

La scientifique des matériaux Keerti Kappagantula et ses collègues du Laboratoire national du Pacifique Nord (PNNL) du Département de l’Énergie des États-Unis ont découvert que le graphène, des couches uniques du même graphite que l’on trouve dans les crayons, peut améliorer une propriété importante des métaux appelée le coefficient de température de résistance. Cette propriété explique pourquoi les fils métalliques chauffent lorsque le courant électrique les traverse.

Les chercheurs cherchent à réduire cette résistance tout en améliorant la capacité d’un métal à conduire l’électricité. Pendant plusieurs années, ils se sont demandé si la conductivité métallique pouvait être augmentée, en particulier à des températures élevées, en ajoutant d’autres matériaux. Et si oui, ces composites peuvent-ils être viables à l’échelle commerciale ?

Une amélioration significative de la conductivité

L’équipe de recherche a démontré qu’elle pouvait le faire, en utilisant une plateforme de fabrication avancée brevetée par le PNNL appelée ShAPE™.

Lorsque l’équipe de recherche a ajouté 18 parties par million de graphène au cuivre de qualité électrique, le coefficient de température de résistance a diminué de 11% sans diminuer la conductivité électrique à température ambiante. Cela est pertinent pour la fabrication de moteurs de véhicules électriques, où une augmentation de 11% de la conductivité électrique du fil de cuivre se traduit par un gain d’efficacité de 1% du moteur.

« Cette découverte va à l’encontre de ce qui est généralement connu sur le comportement des métaux en tant que conducteurs », a précisé Keerti Kappagantula.

« En général, l’introduction d’additifs dans un métal augmente son coefficient de température de résistance, ce qui signifie qu’ils chauffent plus rapidement aux mêmes niveaux de courant par rapport aux métaux purs. Nous décrivons une nouvelle et passionnante propriété de ce composite métallique où nous observons une conductivité améliorée dans un fil de cuivre fabriqué. »

La microstructure est la clé de l’amélioration par le graphène

Précédemment, l’équipe de recherche a effectué des études structurales détaillées et des études computationnelles basées sur la physique pour expliquer le phénomène d’amélioration de la conductivité électrique des métaux à l’aide de graphène.

Dans cette étude, ils ont montré que le traitement en phase solide utilisé pour extruder le fil composite conduit à une microstructure uniforme, presque sans pores, ponctuée de minuscules flocons et grappes de graphène qui pourraient être responsables de la diminution du coefficient de résistance du composite.

« Nous avons montré que les flocons et les grappes doivent tous deux être présents pour faire de meilleurs conducteurs pour les opérations à haute température », a ajouté Keerti Kappagantula.

Vers des moteurs en cuivre plus efficaces et des câblages pour les bâtiments urbains

Lorsqu’elle est appliquée à toute application industrielle, les nouveaux fils composites de cuivre-graphène offriront une grande flexibilité de conception, selon l’équipe de recherche.

« Partout où il y a de l’électricité, nous avons un cas d’utilisation », a déclaré encore Keerti Kappagantula.

Par exemple, les formes de fils de cuivre enroulés sont utilisées dans le noyau des moteurs et des générateurs électriques. Les moteurs d’aujourd’hui sont conçus pour fonctionner dans une plage de température limitée car lorsqu’ils deviennent trop chauds, la conductivité électrique chute de manière dramatique. Avec le nouveau composite cuivre-graphène, les moteurs pourraient potentiellement être exploités à des températures plus élevées sans perdre de conductivité.

De même, le câblage qui amène l’électricité des lignes de transmission dans les maisons et les entreprises est généralement en cuivre. À mesure que la densité de population des villes augmente, la demande d’électricité suit. Un fil composite plus conducteur pourrait potentiellement aider à répondre à cette demande avec des économies d’efficacité.

« Cette technologie est une belle solution pour le câblage en cuivre dans les zones urbaines à haute densité », a conclu Keerti Kappagantula.

En synthèse

La découverte de l’équipe de recherche pourrait avoir des implications majeures pour l’efficacité énergétique et la conception des moteurs électriques. Le nouveau composite cuivre-graphène pourrait permettre une distribution d’électricité plus efficace et des moteurs plus performants pour les véhicules électriques et les équipements industriels.

L’équipe continue de travailler pour personnaliser le matériau cuivre-graphène et mesurer d’autres propriétés essentielles, comme la résistance, la fatigue, la corrosion et la résistance à l’usure, qui sont toutes cruciales pour qualifier de tels matériaux pour des applications industrielles.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le graphène ?

Le graphène est une forme allotropique du carbone, constituée d’un réseau bidimensionnel d’atomes de carbone disposés en hexagones. Il est considéré comme un matériau miracle en raison de ses propriétés exceptionnelles, notamment sa conductivité électrique et thermique, sa résistance et sa légèreté.

Qu’est-ce que le coefficient de température de résistance ?

Le coefficient de température de résistance est une propriété des matériaux qui décrit comment leur résistance électrique change en fonction de la température. En général, la résistance électrique d’un matériau augmente avec la température.

Qu’est-ce que la conductivité électrique ?

La conductivité électrique est une mesure de la capacité d’un matériau à conduire un courant électrique. Les métaux, comme le cuivre, sont généralement de bons conducteurs d’électricité.

Qu’est-ce que la plateforme de fabrication avancée ShAPE™ ?

ShAPE™ est une plateforme de fabrication avancée brevetée par le Pacific Northwest National Laboratory. Elle utilise un processus d’extrusion par friction en phase solide pour fabriquer des composites métalliques.

Quels sont les avantages de l’utilisation de fils composites de cuivre-graphène ?

Les fils composites de cuivre-graphène pourraient permettre une distribution d’électricité plus efficace et des moteurs plus performants pour les véhicules électriques et les équipements industriels. Ils pourraient également permettre aux moteurs de fonctionner à des températures plus élevées sans perdre de conductivité, et pourraient aider à répondre à la demande croissante d’électricité dans les zones urbaines à haute densité.

Références

Légende illustration principale : Keerti Kappagantula et ses collègues ont mis au point un fil de cuivre hautement conducteur en vrac, comme le montre cette photo. (Photo d’Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Article : « Unprecedented electrical performance of friction-extruded copper-graphene composites » – DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112555

Kappagantula, K., Gwalani, B., Li, X., Nittala, A., & al. (2023). Enhanced electrical conductivity in copper-graphene composites. Materials & Design.