Перспективные исследования технологии углеродных нанотрубок в производстве электрических кабелей
Технология углеродных нанотрубок широко распространена в нескольких отраслях промышленности, что свидетельствует о перспективах применения медицинских технологий для изготовления полупроводников. Это может быть ключом к изменению способа изготовления электрических кабелей.
Кабели с использованием компонентов углеродных нанотрубок (CNT) могут снизить вес электроники. В практическом плане это может привести к сокращению на десятки до тысяч фунтов на платформах от спутников до БПЛА до пилотируемых военных самолетов. Например:
- Спутники: затраты на запуск спутника на орбиту могут составлять от 5000 до 50 000 долларов США за фунт полезной нагрузки. Любое снижение веса может существенно повлиять на затраты или позволить дополнительный вес для дополнительного научного и инженерного оборудования или более маневрирующего топлива для продления срока службы миссии.
- БПЛА: более низкий вес означает более длительное время. Учтите, что глобальный БПЛА Hawk содержит около 850 фунтов кабеля. Использование щита УНТ вместо металлического может сэкономить 300 фунтов. Кабель all-CNT может сэкономить дополнительные 100 фунтов, сократив общий вес от 850 до 450 фунтов.
- Самоходные летательные аппараты: экономия веса приводит к большей топливной эффективности или более высокой полезной нагрузке.
Экономия веса также может быть важна для наземных транспортных средств и даже изношенного оборудования.
Свойства Nanotube
Углеродная нанотрубка состоит из одного атомного слоя углерода в цилиндрической конфигурации (рис. 1). Трубки могут быть одностенными или многостенными. Наилучшие электрические характеристики обнаруживаются в одиночных или малоуглеродных нанотрубках в высокоуровневой структуре.
Рисунок 1. Углеродная нанотрубка. Источник изображения: TE Connectivity
Длительное отношение длины одиночной углеродной нанотрубки, имеющей лишь несколько нанометров в диаметре, но несколько миллиметров в длину, дает ему замечательные свойства в наномасштабе: предел прочности при растяжении больше, чем у стали, удельная проводимость больше, чем у меди, тепловая диссипация больше, чем у алмаза, и устойчивость к коррозии и усталости. На рис. 2 приведены типичные свойства одиночной углеродной нанотрубки.
Рисунок 2. Углеродные нанотрубки являются сильными, высокопроводящими и термически эффективными. Источник изображения: TE Connectivity
От Nanoscale до Macroscale
УНТ выращивают путем термической обработки и размещают в нитях для проводников и в лентах, листах и нитях для щитов. Связывание нитей CNT с пряжами или листами для достижения практических размеров изменяет свойства материала. Одна углеродная нанотрубка имеет удельную электропроводность на 30% выше, чем медь, но пряжа, состоящая из сети УНТ, на порядок меньше проводящей, чем медь. На рисунке 3 показаны последние усилия по улучшению проводимости нитей УНТ с 2007 года.
Рисунок 3. Макромасштабные УНТ по-прежнему нуждаются в дополнительных улучшениях проводимости. Источник изображения: TE Connectivity
Практические приложения привлекают компромиссы
На сегодняшний день технология CNT имеет больше возможностей, чем практические решения. Для проводов и кабелей идеальный продукт на основе УНТ имел бы те же или лучшие электрические свойства в значительно более легкой, более прочной форме. Сегодняшняя реальность такова, что такой идеал еще не достигнут.
Сегодня достижимы продукты CNT, которые могут обеспечить значительное снижение веса с электрическими характеристиками, адекватными приложению.
CNT Shields
Кабели CNT в настоящее время активно разрабатываются для приложений MIL-STD-1553B и IEEE 1394 для аэрокосмических и спутниковых применений - с переходом от прототипов к производству в ближайшие несколько лет. Первоначальные кабели IEEE 1394 будут использовать экранирование CNT, в то время как кабели MIL -STD-1553B, вероятно, станут первой конструкцией с полным CNT.
Щиты на основе CNT сочетают высокую эффективность экранирования и значительную экономию веса. Двухслойная лента CNT предлагает примерно такую же защиту, как медная оплетка на высоких частотах - примерно 50 дБ на частоте 4 ГГц, но весит менее 2% от оплетки, которую она заменяет.
Однако высокое удельное сопротивление экранов УНТ означает низкую производительность экранирования ниже 100 МГц и неспособность обеспечить защиту от ударов молнии. Для кабелей с двойной оплеткой, распространенных в аэрокосмических применениях, замена одной из косы на CNT позволяет оставшейся оплетке обрабатывать низкочастотные шумы и молнию, в то время как экран CNT обрабатывает более высокие частоты. Экономия веса составляет от 25 до 30 процентов для гибридных экранирующих конструкций.
Кабели все-CNT
Протестированы и оценены различные типы кабелей всех CNT. Один тип - кабель с витой парой для приложений шины данных MIL-STD-1553B. Проводники с использованием нитей CNT, эквивалентных медному проводнику 26 AWG, были покрыты изоляцией ETFE и скручены в пары. Один лист CNT служил общим щитом.
Как показано на рисунке 4, производительность кабеля шины данных CNT сопоставима с медной версией. Сигнал MIL-STD-1553B с частотой 1 МГц через три метра кабеля показал сопоставимую производительность для каждого типа кабеля.
Рисунок 4. Кабели с медными и CNT- шинами могут обеспечить эквивалентную производительность. Источник изображения: TE Connectivity
Дальнейшее снижение удельного сопротивления нити УНТ будет необходимо, прежде чем проводники УНТ будут практичны для высокоскоростных сигналов более длинной длины или мощности. Прототипы коаксиального кабеля, эквивалентного RG-316, демонстрируют потребность в более высокой проводимости, чтобы сделать кабель CNT практичным для применений общего назначения. Конструкция только CNT и все CNT-конструкции предлагают потери на вставку выше заданного MIL-STD-17C.
Практика в реальном мире
Поскольку достигнуты успехи в обеспечении использования материалов УНТ в кабелях, заслуживают упоминания еще два вопроса. Во-первых, как прервать кабели CNT. Проводники CNT совместимы с существующими контактами и могут быть прерваны стандартными методами обжима, хотя и с слегка измененными настройками обжимных инструментов. Тестирование механической прочности обжима свидетельствует о том, что нити CNT терпят неудачу, прежде чем обжимной провал не удастся. Щиты могут быть прерваны на обратные оболочки стальными лентами и другими методами сжатия. Ленты и пряжа также совместимы с пайкой, хотя они требуют модификации поверхности УНТ.
Вторая проблема - переход от прототипов к производству. Пряжа CNT, листы и ленты доступны в коммерческих количествах, но проблемы остаются в объемном производстве длинных деталей, необходимых для кабеля. Производственные возможности поставщиков CNT стремительно растут, но сегодня цепочка поставок обычно имеет длительные сроки. Сегодня многие приложения, такие как полупроводники или составные корпуса, используют УНТ, измеренные в микронах или миллиметрах. Кабели представляют собой совершенно другой масштаб от этих приложений, требующих десятки метров.
Ready for Prime Time "// www.te.com/usa-en/search.html?q=white%2Bpaper&type=information?utm_source=AllAboutCircuits&utm_medium=industry-article&utm_campaign=carbon-nanotube-technology-promises-a-revolution-in -cabling "target =" _ blank "> здесь
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.