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石墨烯和铜“联姻” 深圳团队研发高铁“超级充电线”

来源:读创 2021-09-03 09:04中投网 A-A+

   飞驰的高铁上,目之所及是车内舒适的环境和窗外快速掠过的景色,却很少有人关注到列车上方的接触网导线,而这个接触网却肩负重要职责:为高铁提供电能。

  如今我国高铁正向时速400公里迈进,对接触网也提出了更高的要求:导电性要高,要扛得住日晒雨淋,还要扛得住摩擦导致的高温。近日,中科院深圳先进院副研究员王鑫告诉深圳商报记者,他们正在研发石墨烯+铜的高铁“超级充电线”。

  “超级”可节约用电

  高铁轨道上方都设置了接触网导线,通过车身上的列车受电弓,将电能从导线接入到车中。

  这根导线看似平常,却绝不简单:除了导电性能和耐用程度,在列车时速达到300公里以上时,受电弓和接触网导线摩擦,会产生高温,导线必须在这种高温下也保持性能良好。换言之,导电性、柔韧度、硬度和强度缺一不可。

  铜具备良好的导电性,被确定为导线的主要材料之一。由于其强度差,人们又在不断寻找另一种金属来形成优势互补,并最终确定了铜镁合金。

  “我国高铁时速马上要达到400公里,这就需要升级版的‘超级导线’,我们觉得石墨烯+铜是很好的解决方案。”王鑫称。

  事实上,业界已开始研究石墨烯+铜的组合。这种新型复合材料的超高导电性能,比导电性能之王——金属银,还要高出10%,被美国铜协会认定为目前室温测到的、最高导电率的金属材料。

  此前中国中车研发出的“超级铜”,正是由石墨烯+铜组成。据了解,全国电机中,若10%的电机替换为超级铜,则每年可节约用电27.2亿度,约相当于葛洲坝电站两个月的发电量。

  让电子坐上高速列车

  不过,石墨烯和铜的“联姻”之路并非一帆风顺。如何让两者混合更均匀,是难题之一。

  此前的研究中,大多用铜粉和石墨烯粉混合,来制备这种新型复合材料。“这是微米级别的混合,虽然可操作性强,但我们觉得还能进一步提升。”王鑫称。

  为此,团队创新性地从铜结晶过程中就开始调控,让两者达到原子、分子级别的混合。大概操作过程为,将石墨烯和铜放进一个有机体系里,通过调控它们的反应速度,让均匀地沉积在石墨烯表面。“两者优势互补,能让电子又多,跑得又快,就像电子也坐上了高速列车。”王鑫说。

  如今,实验室已完成了样品的制备。与此同时,为进一步提高材料性能,团队还自主研发了一种算法,通过高通量筛选,从不同种类的石墨烯中,找到最合适的那一种。

  据王鑫介绍,这种新型复合材料不仅可应用于高铁接触网,还可用于日常供电的电网等多种场景。

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