CES TEMS I 中国科学院王家晓、左婷婷等：使用新型高性能铜/石墨烯复合导体的高功率密度电机研究

Investigation on the Novel High-performance Copper/Graphene Composite Conductor for High Power Density Motor

Jiaxiao Wang1; Tingting Zuo1; Jiangli Xue1; Yadong Ru1; Yue Wu1; Zhuang Xu1; Yongsheng Liu2; Zhaoshun Gao1; Puqi Ning1; Tao Fan1; Xuhui Wen1; Li Han1; Liye Xiao1

1. Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

2. Shanghai University of Electric Power, Shanghai, China

J. Wang et al., "Investigation on the Novel High-performance Copper/Graphene Composite Conductor for High Power Density Motor," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 8, no. 1, pp. 80-85, March 2024, doi: 10.30941/CESTEMS.2024.00009.

摘 要

以液态石蜡和CuCr合金粉为原料，通过热压烧结和严寒塑性变形直接合成了纳米Cr3C2相协同强化的高性能Cu/石墨烯复合丝。由于石墨烯在烧结过程中是在铜粉的催化下原位形成的，因此解决了石墨烯在铜基体中容易团聚、难以均匀分散的问题。纳米Cr3C2-颗粒钉在界面上有利于改善界面结合。Cu/石墨烯复合材料具有较高的导电性、硬度和塑性。复合丝的电导率为96.93%IACS，抗拉强度为488MPa，抗软化性能优良。在400℃退火1h后，抗拉强度仍可达到268MPa，电导率约为99.14%IACS。由于导线的结构复杂，其电阻温度系数(TCR)大大降低到0.0035/°C，在较高的温度下表现出较低的电阻率。这种综合性能优良的Cu/石墨烯复合丝在高功率密度电机中具有良好的应用前景。

Abstract

High-performance Cu/Graphene composite wire synergistically strengthened by nano Cr3C2 phase was directly synthesized via hot press sintering followed by severe cold plastic deformation, using liquid paraffin and CuCr alloy powder as the raw materials. Since graphene is in situ formed under the catalysis of copper powder during the sintering process, the problem that graphene is easy to agglomerate and difficult to disperse uniformly in the copper matrix has been solved. The nano Cr3C2 -particles nailed at the interface favor to improve the interface bonding. The Cu/Graphene composite possesses high electrical conductivity, hardness, and plasticity. The composite wire exhibits high electrical conductivity of 96.93% IACS, great tensile strength of 488 MPa, and excellent resistance to softening. Even after annealing at 400°C for 1 h, the tensile strength can still reach 268 MPa with a conductivity of about 99.14% IACS. The wire's temperature coefficient of resistance (TCR) is largely reduced to 0.0035/°C due to the complex structure, which leads the wire to present low resistivity at higher temperatures. Such Cu/Graphene composite wire with excellent comprehensive performance has a good application prospect in high-power density motors.

作者信息

王家晓1999年出生于中国山东省济宁市。自2021年起，在上海电力大学攻读硕士学位。自2022年起，在中国科学院电工研究所多学科交叉研究中心进行联合培养，主要研究方向为高强高导铜基复合材料。

左婷婷1986年出生于中国河北省张家口市。2017年在北京科技大学获得材料科学与工程博士学位，随后在中国科学院电工研究所从事博士后研究工作。2017年至2021年，担任中国科学院电工研究所多学科交叉研究中心助理研究员。自2022年起，担任中国科学院电工研究所交叉研究中心副研究员。主要研究方向包括高熵合金的设计与表征、铜/碳纳米复合材料的制备与性能优化，电子束阴极器件的研发。

刘永生上海电力大学（SUEP）教授和博士生导师。2006年在上海大学获得博士学位。主要研究方向包括太阳能材料、可再生能源和磁性材料。

高召顺1979年出生于中国山东省，于2009年在中国科学院电工研究所获得电气工程博士学位，随后在该研究所担任助理研究员。2012年至2015年，赴日本国家物质材料研究机构（NIMS）进行博士后研究工作。自2016年起，担任中国科学院电工研究所多学科交叉研究中心研究员。长期从事新型电工电子功能材料的研究，主要研究方向包括通过纳米碳掺杂和纳米技术提高传统铜及铜合金的性能，制造高性能的铜合金和复合材料、电子束阴极材料和器件。

《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》(CES TEMS)是中国电工技术学会和中国科学院电工研究所共同主办、IEEE PELS学会技术支持的英文学术期刊。期刊发表国内外有关高性能电机系统、电机驱动、电力电子、可再生能源系统、电气化交通等研发及应用领域中原创、前沿学术论文。中国工程院院士马伟明担任主编，IEEE的执委Don Tan博士为国际主编。目前已被EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中国科学引文数据库(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知网、万方、维普等数据库收录。

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