KR20230107316A - 버스바용 알루미늄-탄소 금속 매트릭스 복합체 - Google Patents

버스바용 알루미늄-탄소 금속 매트릭스 복합체 Download PDF

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마르쿠스 뵘
카일 딘
제야쿠마르 마니카라지
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야자키 소교 가부시키가이샤
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Abstract

전기 전력 분배 응용을 위한 버스바. 버스바는 나노스케일 탄소 입자(예를 들어, 탄소 나노튜브)를 갖는 알루미늄(Al) 금속 매트릭스 복합체(metal matrix composite; MMC)를 포함한다. 일 예에서, 나노스케일 탄소 입자의 농도는 0.01 내지 2 중량 퍼센트(wt%)의 범위이다. 나노스케일 탄소 입자는 Al-MMC의 전체에 걸쳐 균일하게 분포된다.

Description

버스바용 알루미늄-탄소 금속 매트릭스 복합체
개시된 교시는 버스바 응용을 위한 금속 복합체에 관한 것이다.
전기 전력 분배에 있어서, 버스바는 금속성 스트립 또는 바이며, 통상적으로 국지적 고전류 전력 분배를 위한 스위치기어, 패널 보드, 및 버스웨이 인클로저(busway enclosure) 내에 수용된다. 또한 이들은 전기 스위치야드의 고전압 장비와 배터리 뱅크 내의 저전압 장비를 연결하는 데도 사용된다. 이들은 일반적으로 단열되지 않고, 단열된 기둥에 의해 공기 중에서 지지되기에 충분한 강성을 갖는다. 이러한 특징은 버스바 전도체의 충분한 냉각을 허용하고, 새로운 접합부를 생성하지 않고 다양한 지점에서 전도체 내로 탭할 수 있는 능력을 허용한다.
버스바의 재료 조성 및 단면 크기는 안전하게 운반될 수 있는 최대 전류량을 결정한다. 버스바는 10 평방 밀리미터(mm2) 만큼 작은 단면적을 가질 수 있지만, 전기 변전소는 버스바로서 직경 약 50 mm(또는 약 2,000 mm2) 이상인 금속 튜브를 사용할 수 있다.
버스바는 플랫 스트립(flat strip), 솔리드 바(solid bar) 또는 로드(rod)와 같은 다양한 형상으로 제조되며, 전형적으로 구리, 황동 또는 알루미늄(Al)으로 구성된다. 이러한 형상 중 몇몇은 이들의 높은 표면적 대 단면적 비로 인해 열이 더 효율적으로 발산할 수 있게 한다. 표피 효과는 두께가 약 8 mm 초과일 때 50-60 Hz AC 버스바를 비효율적으로 만들며; 따라서, 중공 또는 플랫 형상이 고전류 응용에서 널리 보급되어 있다. 중공 섹션은 또한 동등한 전류 운반 용량의 솔리드 로드(solid rod)보다 더 높은 강성을 가지며, 이는 실외 전기 응용에서 버스바 지지체 사이에 더 큰 스팬(span)을 허용한다.
본 개시의 하나 이상의 실시예는 첨부 도면의 도면에 제한이 아닌 예로서 예시되며, 여기서 유사한 참조 번호는 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 상업적으로 이용 가능한 버스바의 이미지를 포함한다.
도 2는 알루미늄의 기계적 강도와 전기 전도도에 대한 합금 원소의 첨가 효과를 도시한 그래프이다.
도 3은 금속 매트릭스 복합체(MMC) 내에 나노스케일 탄소 입자의 균일한 분포를 달성하기 위한 공정을 나타낸 순서도이다.
도 4는 압출된 상태의 조건에서의 알루미늄(Al) 0.5 중량 퍼센트(wt%) 탄소 나노튜브(CNT)의 유리한 물리적 특성을 순수 알루미늄의 특성과 비교하여 도시한 그래프이다.
도 5는 비교를 위해 Al-0.5 wt% CNT 버스바와 A6063-T5 버스바를 대상으로 수행한 크리프 시험 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 냉간 가공이 Al-0.5wt% CNT MMC 와이어의 강도에 미치는 영향을 순수 Al 와이어와 비교하여 도시한 그래프이다.
도 7은 냉간 가공량이 상이한 Al-0.5wt% CNT 와이어의 극한 인장 강도(ultimate tensile strength; UTS)를 보여주는 그래프를 포함한다.
도 8은 Al-0.5wt% CNT MMC 간의 미세구조적 차이를, 압출 처리에 의해 CNT 분포가 개선되기 전과 후로 도시한 이미지를 포함한다.
도 9는 Al-0.5 wt% CNT MMC 내의 CNT 응집체 크기와 개수의 통계적 분포를, 압출 처리에 의해 CNT 분포가 개선되기 전과 후로 도시한 그래프 세트이다.
도 10은 Al-CNT MMC 버스바 내의 CNT의 개선된 분산으로부터 굽힘 거동이 또한 이로울 수 있음을 보여주는 이미지를 포함한다.
도 11은 인발된 Al-0.5wt% CNT MMC 와이어 내의 CNT 분포의 품질이 열처리 유도 결정립 성장에 어떻게 영향을 미치는지를 도시한다.
도 12는 CNT 농도가 상이한 Al-0.5 wt% CNT 와이어의 UTS를 보여주는 그래프를 포함한다.
아래에 제시된 실시예는 당업자가 실시예를 실행할 수 있도록, 실시예를 실행하는 최선의 모드를 예시할 수 있도록 필요한 정보를 나타낸다. 첨부된 도면에 비추어 다음의 설명을 읽을 때, 당업자는 본 개시의 개념을 이해할 것이고, 본 명세서에서 특별히 다루어지지 않는 이들 개념의 응용을 인식할 것이다. 이러한 개념 및 응용은 본 개시 및 첨부된 실시예의 범위 내에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
버스바 응용
전기 전력 분배에 있어서, 버스바는 국소적 고전류 전력 분배를 위한 금속 스트립 또는 바이다. 도 1은 상업적으로 이용 가능한 구리(Cu) 버스바의 예시 이미지를 포함한다. 해양, 운송, 통신, 유틸리티 및 발전 산업은 버스바의 응용을 포함한다. 자동차 산업은 또한 고전류 전기를 분배하는 견고한 방법을 제공하기 위해 다양한 버스바를 포함할 수 있다. 이러한 산업은 중량 및 비용을 감소시키기 위해 Cu 버스바를 알루미늄(Al)으로 대체함으로써 이로울 수 있다. 예를 들어, 자동차 산업에서, 전기 차량(Electric Vehicle, EV) 또는 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV)에 대한 관심이 높아지면서, 이들 차량에서의 전력 분배 요구 및 결과적으로 버스 바의 요구량이 크게 증가하고 있다. 버스바가 전통적으로 Cu로부터 제조됨에 따라, 버스바 사용 증가는 차량 중량에 부정적인 영향을 미친다. 각각 Cu의 약 30% 및 약 60%의 밀도 및 전기 전도도로, Al은 Cu에 비해 약 50%의 중량 절감을 가지고 유사한 전력 분포를 달성할 수 있다. 더욱이, 원재료 및 산업 공정의 비용이 변동할 것이지만, Al은 역사적으로 Cu보다 훨씬 덜 비싸왔다. 따라서, 동일한 전기 요건을 위해 의도된 Al 전도체는 Cu 전도체보다 더 가볍고 덜 비싸기 때문에, 자동차 응용에서 Cu 버스바를 Al 버스바로 대체하는 것은 전기 전력 요건을 여전히 만족시키면서 증가하는 중량 및 비용을 상쇄시킬 수 있다.
차량 내의 전기 컴포넌트를 효율적으로 장착 및 연결하는 것은 중요성이 증가하고 있으며, 이를 위해 와이어, 케이블 및 버스바는 차량의 다양한 서브시스템에 전력을 분배하기 위해 상업적으로 사용된다. HEV/EV 배터리 모듈 연결 어셈블리에서, 커넥터는 바람직하게는 높은 강도, 전도도(예를 들어, 열, 전기) 및 열적 안정성을 갖는다. Al에 대한 표준 전류 운반 용량은 약 0.7 A/mm2이며, 이는 HEV/EV에서 배터리 모듈을 연결하는데 사용하기에 충분하다. HEV/EV의 전기 전력 요건은 매년 지속적으로 증가하고 있으며, 이에 따라서 효율적인 연결에 대한 필요성도 또한 증가하고 있다. 그러나, 증가하는 수요에 맞추어 버스바의 개수나 단면 크기를 증가시키는 것만으로는 중량 및 비용 절감이라는 목표에 반한다.
상업적으로 이용 가능한 Al 합금은 버스바 응용에서 Cu에 대한 이상적인 대체물이 아닌데, 그 이유는 이들이 강도, 전기 전도도, 내크리프성(creep resistance), 열적 안정성 등과 같은 특성의 필요한 조합을 갖지 않기 때문이다. 예를 들어, 도 2는 합금 원소를 첨가함으로써 Al 합금의 강도를 높일 수 있음을 보여준다. 그러나, 이들 첨가물은 감소된 전기 전도도의 대가를 치르는데, 이는 고체 α Al 매트릭스 상을 갖는 용액 중의 임의의 원소가 추가의 전자 산란 부위로서 작용하는 역할을 하기 때문이다 (J. Tokutomi et al, CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 257-260). 또한, 상용 Al 합금에서 합금 원소는 α Al 상에서 비교적 높은 이동도를 가지며, 이는 상승된 온도에서 유지될 경우 과노화로 인한 강도 저하를 초래한다. 이러한 과노화 경향은 또한 전형적인 Al 합금의 상승된 온도 내크리프성에 대해 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
전기 버스바 응용을 위한 알루미늄 탄소 금속 매트릭스 복합체
개시된 실시예는 α Al 상에 용해되지 않는 입자를 포함하는 Al계 금속 매트릭스 복합체(MMC)로 제조된 버스바 및 관련 제품을 포함하며, 이는 상당한 양의 강화 및 내크리프성을 제공한다. 보다 구체적으로, 개시된 기술은 전기 버스바 응용을 위한 알루미늄 탄소(Al-C) MMC에 관한 것이다. 일 예에서, MMC는 탄소 나노튜브(carbon nanotube; CNT)가 그 안에 분포된 Al 매트릭스를 포함한다. CNT는, 수백 나노미터까지의 직경을 갖는 중공형 튜브를 형성하기 위해, 육각형 타일링 또는 각각의 층 내의 다른 기하학적 패턴으로 공유 결합에 의해 결합된 하나 이상의 원통형 층(예를 들어, 단일 벽, 다중 벽)으로 배열된 탄소(C) 원자로 구성된 분자 스케일의 구조이다. 탄소 나노튜브는 풀러렌 케이지와 (흑연에서와 같이) 편평한 그래핀 시트 사이의 중간인, 탄소의 동소체인 것으로 간주된다.
Al-C MMC는 전기 버스바 응용에 대해 많은 이점을 갖는다. 개시된 MMC는 순수 알루미늄의 전기 전도도에 근접한 전기 전도도를 유지하면서 바람직한 강도, 열적 안정성 및 내크리프성을 나타낸다. 버스바 응용에서 MMC의 사용은, 높은 열적 안정성이 증가된 작업 온도를 허용할 수 있기 때문에, 주어진 버스바 단면적에 대한 개선된 전류 용량을 허용할 수 있다. 이는 버스바 치수들의 감소를 통한 중량 감소를 가능하게 할 수 있거나, 버스바 크기가 일정하게 유지되는 경우, 이는 구조적 또는 성능 문제를 야기하지 않고 더 높은 피크 전류 인출을 허용할 수 있다. 또한, MMC의 내크리프성은 버스바와 다른 전기 컴포넌트 사이의 연결과 연관된 부작용을 감소시키는 데 도움이 될 수 있다. 이러한 버스바는 임의의 산업에서 사용될 수 있지만, 본 개시에서는 자동차 산업에 대한 잠재적인 이점에 대해서 강조된다.
버스바는 전기 전도도가 50% 국제 어닐링된 구리 표준(International Annealed Copper Standard; IACS) 초과하고, 극한 인장 강도(ultimate tensile strength; UTS)가 80 MPa 초과하고, 연신율이 10% 초과할 수 있다. 일 예에서, 버스바는 전도도가 50% 초과, 또는 55% 초과, 또는 58% 초과의 IACS이고, UTS가 120 MPa 초과하고, 연신율이 30% 초과한다. 그러나, 버스바는 다른 범위의 특성을 가질 수 있다. 다른 예에서, 버스바는 전도도가 50% 초과, 또는 55% 초과, 또는 58% 초과의 IACS이고, UTS가 200 MPa 초과하고, 연신율이 1% 초과한다. 다른 예에서, 버스바는 전도도가 50% 초과, 또는 55% 초과, 또는 58% 초과의 IACS이고, UTS가 300 MPa 초과하고, 연신율이 3% 초과한다.
Al-MMC 재료는 순수 Al일 수 있거나, Al 이외의 금속 원소를 함유하는 Al 합금일 수 있다. 바람직하게는, Al 매트릭스는 순수 Al 또는 전기 전도도가 적어도 50% IACS인 Al 합금, 예를 들어 99%의 최소 Al 함량을 갖는 1XXX 시리즈의 전신재 합금(wrought alloy)이다. 2XXX 내지 7XXX로부터의 다른 전신재 합금 시리즈의 Al 합금이 적합할 수 있지만, 다만 이들은 전도도가 50% IACS 이상이다. 다른 비-상업적 조성물의 Al 합금이 또한 적합할 수 있다. 예를 들어, Sc 및 선택적으로 다른 원소, 예컨대 지르코늄(Zr), 에르븀(Er), 및/또는 이테르븀(Yb)을 갖고, 50% IACS 초과의 전도도를 갖는 알루미늄-스칸듐(Al-Sc-X) 합금이 적합하다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "Al-C", "Al-CNT" 및 "Al-CNT MMC"는, 매트릭스에 C 또는 CNT 입자가 분포되어 있는 순수 Al 또는 Al 합금의 MMC를 지칭할 수 있다.
연질 조건에서, 예컨대 고온에서의 압출 후에, 2x20 mm 직사각형 Al-0.5 wt% CNT MMC 버스바는 인장 및 전기적 특성의 바람직한 조합을 가질 수 있으며, UTS는 약 120 MPa이고, 연신율은 약 30%이고, 전기 전도도는 50% 초과, 또는 55% 초과, 또는 58% 초과의 IACS이다. 이들 예는 개선된 크리프 거동(예를 들어, 80%의 항복 강도 및 150℃에서 500 시간(hr) 후에 최소 크리프)을 갖는다. 더욱이, MMC의 매트릭스 전체에 걸쳐 CNT가 더욱 균일하게 분포되어 있는 Al-0.5 wt% CNT 버스바의 180도 평면방향 굽힘 시험에서 균열은 관찰되지 않는다.
일부 실시예에서, Al-0.5 wt% CNT MMC의 냉간 가공은 전기 전도도에 최소한의 영향을 미치고, 인장 강도는 상당히 증가할 수 있는 반면, 연신율은 감소될 수 있다. 약 335 MPa의 더 큰 UTS가 관찰될 수 있지만, 이 값이 개시된 방법으로 달성될 수 있는 강도에 대한 상한이라는 표시는 없다. 연신율은 모든 냉간 가공된 예에 대해 약 4%로 유지된다. 냉간 가공을 통해 달성되는 강도는, 초기 응력 완화 열처리 후에, 국제 표준 IEC 62004 "오버헤드 라인 전도체용 내열성 알루미늄 합금 와이어"에서 재료 타입 AT4에 대해 기재된 바와 같이, 열적으로 안정할 수 있다. 표준에 따라서, 타입 AT4의 자격을 얻으려면, Al 합금 와이어는 310℃에서 400시간 동안, 또는 400℃에서 1시간 동안 열처리를 수행한 후 초기 인장 강도의 90%를 유지해야 한다.
예를 들어, 초기 인발된 상태의 인장 강도가 335 MPa인 Al-0.5 wt% CNT MMC의 경우, 325℃에서 1시간 동안의 열처리는 전형적으로 강도를 약 30 MPa만큼 열적으로 안정한 조건까지, 예를 들어, ~305 MPa의 UTS로 감소시킬 것이다. 후속적으로, 310℃에서 400시간 동안 또는 400℃에서 1시간 동안의 열처리는 10% 미만의 UTS의 감소를 초래할 것이다. 따라서, 열처리된 재료는 IEC 62004 표준에 따른 타입 AT4에 대한 요건을 충족한다.
Al-C MMC의 효과에 있어서 유의한 인자는 MMC 내의 나노스케일 탄소 입자의 분포이다. 예를 들면, CNT가 Al 매트릭스 내에, 예를 들어, 폭이 10 미크론보다 큰 응집체로서 존재하는 경우, Al-CNT MMC 내의 CNT의 큰 분율은 매트릭스의 강도의 증가에 기여하지 않는다는 측면에서 낭비될 수 있다. 대규모 제조에 도움이 되는 방식으로 CNT 분포가 균일한 Al-CNT MMC를 제조하는 것은 이들 재료의 대규모 응용에 대한 주요 장애물로 남아 있다. 본원에 개시된 해결책에 의하면, CNT 분포 및 이에 따라 초기에 불량한 CNT 분포를 갖는 Al-CNT MMC의 특성은 압출 처리, ECAP 등에 따른 고상 변형(solid-state deformation)에 의해 개선된다. 본 명세서에 기재된 예는 개선된 강도, 열적 안정성, 내크리프성, 및 굽힘 거동을 갖는다.
도 3은 MMC(예를 들어, Al-C MMC)에서 나노스케일 탄소 입자의 균일한 분포를 달성하기 위한 공정(300)을 예시하는 흐름도이다. 302에서, 금속 매트릭스 및 나노스케일 탄소 입자를 포함하는 MMC 공급원료 물질(예를 들어, Al-MMC 공급원료)을 제조한다. 공급원료 물질의 예는 Al-C 로드, 바, 과립 또는 압축된 분말 빌렛을 포함한다. 304에서, MMC 공급원료 물질은 나노스케일 탄소 입자의 균일한 분포를 갖는 MMC 컴포넌트를 형성하기 위해 고상 변형 공정을 통해 처리된다. 이와 같이, MMC 컴포넌트는 예를 들어 0.01 내지 2 wt%의 농도 범위에서 나노스케일 탄소 입자의 균일한 분포를 가질 수 있다. 고상 변형 공정의 예는 압출 공정 또는 등 통로 각 압축(Equal Channel Angular Pressing; ECAP) 공정을 포함한다. MMC 공급원료 물질은 균질성을 더욱 개선하기 위해 고상 변형 공정을 다수회 통과할 수 있다.
일반적으로, 잘 분포된 나노스케일 탄소 입자(예를 들어, CNT)를 Al에 소량 첨가하는 것은 실질적으로 순수 알루미늄과 비교하여 실질적으로 유사한 전기 전도도, 탄성 계수 및 열 팽창 계수를 유지하면서 증가된 인장 강도를 제공한다. 나노스케일 입자는 100 나노미터 미만의 적어도 하나의 임계 치수를 갖고 고유한 광학, 자기 또는 전기 특성을 갖는 입자로서 광범위하게 정의될 수 있다. 나노스케일 탄소 입자는 CNT, 그래핀, 풀러렌, 나노다이아몬드 등과 같이 주로 탄소로 구성된 나노스케일 입자이다.
또한, 일반적으로 Al-CNT MMC 제품은 작업 및 분산 경화를 통해 그 인장 강도를 얻는다. 예를 들어, 압출된 재료를 최종 크기로 압연 및/또는 인발함으로써 냉간 가공하는 동안, 결정립 구조는 미세화되고, CNT는 매트릭스에서 더 균일하게 분산된다. Al-CNT의 인장 강도는 CNT 함량에 따라 증가하는 반면에, 전기 전도도는 약간 감소한다. 그러한 관점에서, 바람직한 농도는 약 0.01 내지 2 중량 퍼센트(wt%), 예컨대 0.1 내지 1 wt%, 또는 0.2 내지 0.8 wt%, 또는 0.25 내지 0.75 wt%, 또는 0.4 내지 0.6 wt%, 또는 약 0.5 wt% CNT이며, 이것으로 MMC는 50% 초과, 또는 55% 초과, 또는 58% 초과의 IACS의 전기 전도도를 유지하는 한편, UTS에서의 실질적인 이득이 달성될 수 있다.
Al-CNT MMC 로드 또는 와이어의 경우, 초기 압출 직경으로부터 최종 직경으로의 인발을 통한 냉간 가공의 효과는 하기 관계식으로 예시된다:
Figure pct00001
여기서 A 및 B 는 CNT의 양에 의존하는 상수이다. 이 식은 압출되고 인발된 와이어의 원하는 UTS 및 최종 직경(Df)을 달성하기 위해 필요한 Al-CNT 로드의 초기 압출 직경(Di)을 계산하는데 사용될 수 있다. 0.5 wt% CNT와 조합된 1070 알루미늄(Al99.7)으로 구성된 매트릭스의 경우, 상수 A 및 B 는 각각 약 145 및 약 60인 것으로 밝혀졌다.
특히, AA 1350과 같은 전도체 등급 Al의 전기 전도도는 61.2 내지 61.8 %IACS이고, 그 강도는 Cu에 비해 낮다. 상기 기재된 바와 같이, Al에 합금 원소를 첨가하는 것은 강도를 증가시키지만 (예를 들어, 2xxx, 5xxx, 6xxx 및 7xxx 시리즈 합금) 전형적으로 전도도를 감소시킨다. 상업적으로 이용 가능한 합금에 사용되는 강화 입자는 Al 매트릭스에서 비교적 높은 이동도를 갖기 때문에, Al 합금의 열적 안정성은 낮다. 이 때문에, Al 합금은 전형적으로 약 150℃ 초과의 온도를 보이는 응용에는 사용되지 않는다. 그러나, 상기에 나타낸 바와 같이, Al-CNT MMC는 전기 전도도의 상당한 손실 없이 약 150℃ 초과의 온도에 대해 높은 기계적 강도 및 열적 안정성을 제공한다.
따라서, 개시된 기술은 특히 자동차 산업에서 전기 전도도, 강도, 사용 온도 및 내크리프성의 개선으로 순수 Al 및 Al 합금 버스바에 비해 진보를 제공할 수 있다. 개시된 기술로부터 이익을 얻을 수 있는 자동차 산업에서의 예는 배터리 팩 내의 개별 셀들을 연결하고, 다수의 배터리 팩들을 연결하고, 배터리 팩을 모터 인버터 및 다른 전기 컴포넌트에 연결하는 버스바를 포함한다. 일부 버스바는 상승된 온도를 보이는 차량의 부품에 사용된다. 버스바는 2개 이상의 컴포넌트 사이의 단순한 직선 연결일 수 있거나, 차량의 타이트하게 패킹된 영역을 통해 탐색하기 위한 복잡한 기하학적 구조를 가질 수 있다. 이들 버스바는 전형적으로 주석-도금된 구리이고, 본 명세서에서 논의된 Al-CNT MMC로 대체될 수 있는 버스바의 양호한 예이다. 이로 인해, 버스바를 위한 이상적인 Al MMC는 크랙을 형성하지 않고 복잡한 형상으로 형성될 수 있고, 버스바의 수명 주기 전체에 걸쳐 그러한 형상을 유지하기에 충분히 강할 수 있다.
CNT로 보강되는 Al MMC는 높은 비강도를 제공하며 우수한 열적/전기적 특성을 갖는다. 사용된 CNT의 양 및 Al 매트릭스 내의 그 분포는 Al-CNT 복합체의 최대 강도에 도달하기 위한 핵심 파라미터이다. 예를 들어, 더 낮은 농도의 CNT(0.1 wt%) 및 매트릭스 내의 균일한 분산을 갖는 MMC는 비교적 더 높은 농도의 CNT(0.25 - 1.0 wt%)를 갖지만 매트릭스 내의 불량한 분산 및 큰 응집체를 갖는, 유사하게 제조된 MMC보다 더 높은 강도를 가질 수 있는 것으로 관찰되었다.
전기 전도도를 순수 Al의 전기 전도도 아래로 상당히 감소시키지 않으면서, 바람직한 강도, 열적 안정성 및 내크리프성을 갖는 Al 버스바를 제조하기 위해, 비교적 용질 원자가 없는 α Al 매트릭스로 둘러싸인 강화 입자의 미세한 분산을 생성하는 것이 유리하다. 이 결과를 달성하기 위해, α-Al에 유의한 용해도를 갖지 않는 MMC 첨가물이 사용되어야 한다. 탄소는 Al에서의 보고된 고체 용해성을 갖지 않고 여러 나노스케일 구조로 생성될 수 있기 때문에, 전기 전력 분배 응용을 위한 Al계 MMC 버스바의 첨가제로서 이상적인 후보이다. CNT에 추가하여 적합한 나노스케일 입자의 예는 그래핀 나노판(graphene nanoplatelets, GNP), 풀러렌(fullerene)(예를 들어, 원자의 중공 케이지로 구성된 큰 구상 분자를 갖는 탄소의 형태), 및 나노다이아몬드(예를 들어, 단지 수 나노미터의 치수를 갖는 다이아몬드 입자)를 포함한다.
나노스케일 탄소 입자 첨가물로부터 가장 큰 이익을 달성하기 위해, MMC 전체에 걸친 입자의 균일한 분포가 바람직하다. 원하는 제조 규모 및 탄소의 사용 형태에 따라, 균일한 분포가 여러 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 탄소 입자를 Al 용융물에 첨가하고 MMC를 주조하는 것이 하나의 접근법이지만, 탄소 첨가의 분리 또는 연소를 피하기 위해 주의를 기울여야 한다. 두 번째 방법은 분말 야금 기술을 사용하여 Al과 나노스케일 탄소 분말을 함께 고형 빌렛(billet)으로 균일하게 혼합 및 소결하는 것이다. 세 번째 방법은 마찰 교반 처리, ECAP, 압출 등과 같은 고상 처리 기술을 통해 나노스케일 탄소 입자를 Al 매트릭스 안으로 기계적 교반하는 것을 수반한다.
결과적인 버스바는 버스바의 전체 체적에 걸쳐 균등하게 분포된 탄소 입자(예를 들어, CNT) 농도를 갖는다. 즉, 탄소 입자 사이에 유의한 불규칙한 공극 또는 불규칙한 빈 공간이 없고, 탄소 입자는 응집되지 않고(또는 임의의 응집은 무시할 수 있음), 버스바 전체에 걸쳐 탄소 입자의 농도가 더 높거나 더 낮은 영역이 없다. 매트릭스 내의 탄소 입자의 양은 매트릭스 체적의 모든 부분에서 본질적으로 동일하며, 즉, Al-MMC 복합체 내에, 임의의 다른 부분과의 탄소 입자 농도의 뚜렷한 차이, 즉, 20%, 10%, 또는 바람직하게는 5% 초과의 차이를 갖는 부분은 없다.
일 예에서, 결과적인 버스바는 비다공성인 균일한 밀도를 갖는다. 예를 들어, 밀도는 이론적 복합체 밀도에서 최대 2%만큼 벗어날 수 있으며, 이는 재료의 체적, Al 및 탄소 입자의 상대적인 양, 및 이들 각각의 밀도에 기초하여 계산될 수 있다. 샘플 Al-C MMC의 균일한 탄소 입자 농도는 버스바의 전체 체적에 걸쳐 균일한 전도도와 같은 일관되고 균일한 특성을 제공한다. 샘플 Al-C MMC 버스바에서의 탄소 입자의 균일한 분포는 고해상도 현미경법에 의해 검증될 수 있다.
Al-C MMC를 제조하기 위해 어떤 기술이 사용되든지, 처리로부터의 잔류 응력의 최종량은 MMC의 강도 및 신장의 결과에 영향을 미칠 것이다. 설치를 위한 특정 기하학적 구조를 달성하기 위해 버스바의 굽힘을 요구하는 것과 같은 상당한 연신율을 요구하는 버스바 응용의 경우, 잔류 응력이 비교적 없는 최종 조건을 달성하도록 주의를 기울여야 한다. 본 출원에 적합한 최종 조건을 달성하기 위한 하나의 방법은 임의의 필요한 냉간 가공 절차(cold working procedure)가 수행된 후에 잔류 응력을 완화시키기 위해 고온에서의 버스바의 어닐링을 거치는 것이다. 다른 방법은 잔류 응력의 발생을 제한하기 위해 상승된 온도(예를 들어, 주조, 압출)에서 실행되는 공정을 사용하여 원하는 최종 치수 및 기하학적 형상을 갖는 버스바를 초기에 제조하는 것이다. 더 높은 강도가 요구되고 연신율이 덜 중요하다면, 냉간 가공 등의 적용을 통한 잔류 응력이 강도를 증가시킬 수 있는 실행 가능한 방법이다.
제조 상세
개시된 실시예는 소량의, 예를 들어, (0.01 내지 2 wt%)의 나노구조체 첨가물, 예컨대 CNT, GNP, 풀러렌, 및/또는 나노다이아몬드를 함유하는 Al MMC 버스바를 제조하는 방법을 포함한다. 이러한 버스바의 제조는 다음의 공정의 일부 또는 전부를 포함하여 여러 가지 처리 기술로 달성될 수 있다.
Al-C MMC 버스바의 초기 제조는 주조 공정에 의해 제조될 수 있다. 그러나, 이 방법과 연관된 도전이 있을 수 있다. 예를 들어, 주요 관심사는 탄소가 용융된 Al로부터 분리되어 용융물의 표면으로 부유할 수 있다는 것이다. 또한, 산소가 이용 가능하다면 나노스케일 탄소 입자 첨가물은 액체 Al 온도에서 연소될 것이다. 후자의 요점에 대한 한 가지 상쇄 요인은 액체 Al이 O2의 존재 하에 Al2O3을 공격적으로 형성함으로써 탄소 첨가물을 연소시키는 위험이 감소된다는 것이다. 그러나, 알루미늄 탄화물이 대신 형성될 수 있으며, 이는 Al-C MMC의 기계적 및 전기적 특성을 상당히 저하시킬 수 있다.
분말 야금 기술은 현재 Al-C MMC 재료를 제조하는 일반적인 방법이다. 이러한 접근법은 전형적으로 Al 및 나노스케일 탄소 분말을 함께 혼합하는 것, 분말을 볼 밀링하는 것, 분말 혼합물을 압축하는 것, 및/또는 재료를 고밀도 생성물로 소결하는 것의 몇몇 조합을 포함한다. 분말은 건조 조건에서 또는 슬러리의 일부로서 혼합될 수 있으며, 이 경우 슬러리의 용매는 압축/소결 전에 증발되어야 한다. 미세한 분말은 화학적 조성에 따라 가연성이 있을 수 있으므로 취급시 주의해야 한다. 예를 들어, 알루미늄 협회 및 미국 국립 방재청(National Fire Protection Agency, NFPA) 표준 #484 "가연성 금속, 금속 분말 및 금속 먼지에 대한 표준"에 따르면, 입자 크기가 40 메쉬(420 마이크로미터) 이하인 알루미늄 분말은 화재 또는 폭발 위험을 나타낼 수 있다.
Al-C MMC 버스바의 제조에서 여러 목적을 달성하기 위해 압출이 사용될 수 있다. 이러한 목적 중 가장 기본적인 것은 특정 형상 및 치수의 압출된 제품을 제조하는 것이다. 버스바의 강도보다 연신율에 더 많은 가치를 두는 경우에 이들 치수는 버스바의 목표 최종 치수와 일치할 수 있거나, 또는 목표 버스바 치수까지 단면적을 감소시키면서 강도를 증가시키기 위해 냉간 가공(압연 등)이 이용되는 경우에 치수는 오버사이징될 수 있다.
크기 및 형상과 같은 기하학적 목적에 추가하여, 다른 수단에 의해 제조된 불충분하게 균질화된 Al-C 공급원료에서 탄소 첨가물의 균질성을 증가시키기 위해 적절한 툴링(tooling) 및 파라미터를 사용한 압출이 사용될 수 있다. Al-C MMC의 균질성을 증가시키기 위해 이 기술을 사용하는 것은 강도, 열적 안정성 등의 측면에서 성능의 상당한 개선을 가져올 수 있다. 사용된 압출 공정에 따라, 공급원료 물질은 Al-C 로드, 바, 과립, 압축된 분말 빌렛 등의 형태일 수 있고, 필요에 따라 균질성을 더욱 향상시키기 위해 압출 공정을 통한 다중 통과가 사용될 수 있다.
Al-C MMC에 대해 압연 및 관련 공정을 수행하여 버스바 사양에 위한 목표 크기 및 치수를 달성할 수 있다. 이 공정은 실온에서 수행될 수 있지만, 최종 버스바에서 높은 연신율이 요구되는 경우 내부 응력을 완화시키기 위해 상승된 온도에서 또한 수행될 수 있는데(예를 들어, 열간 압연), 이는 버스바에서의 냉간 가공으로부터의 잔류 응력이 일반적으로 연신율을 감소시키고 강도를 증가시킬 것이기 때문이다. 열간 압연에 대안적으로, 제조 후 잔류 응력을 완화하는 방법으로서 냉간 압연 후에 열처리를 적용할 수 있다.
자동차 내에서 사용하기 위한 유용한 형상을 달성하기 위해 버스바에 대해 굽힘 및 성형을 수행할 수 있다. 굽힘은 평면방향 굽힘(flatwise bending), 엣지방향 굽힘(edgewise bending), 비틀림(twisting) 등을 포함할 수 있다. 굽힘 및 성형 공정의 용이성은 MMC에 포함된 탄소의 구조 및 양, 뿐만 아니라 굽힘 시에 버스바에 존재하는 잔류 응력의 양 및 결정립 크기에 의존할 것이다. 임의의 특정 Al-C MMC의 최적의 굽힘 능력을 위해, MMC를 거의 그물 형상 물체로서 제조하는 것에 의해 냉간 가공을 회피함으로써, 또는 냉간 가공 절차 동안 축적된 응력을 완화시키기에 충분히 높은 온도에서 어닐링함으로써, 굽힘 시에 잔류 응력을 최소화하도록 주의해야 한다. 그러나, 잔류 응력에 의해 제공되는 강화가 최종 버스바 응용의 특성에 필요한 경우, 약간의 굽힘이 어닐링 거의 없이 또는 전혀 없이 여전히 수행될 수 있다. Al-C MMC 재료로 새로운 버스바 굽힘 응용을 설정할 때, 크랙에 대해 굽힘 결과를 조사하는 것과, 크랙이 발견되는 경우, 그러한 크랙이 회피되도록 재료의 연신율을 증가시키고 추가적인 응력을 완화하기 위해 어닐링의 양을 조절하는 것이 중요할 수 있다.
유의한 잔류 응력이 없는 Al-CNT 특성의 예
강도 및 연신율 거동
도 4는 압출된 상태의 조건에서의 Al-0.5 wt% CNT의 유리한 물리적 특성을 압출된 상태의 조건에서의 순수 Al의 특성과 비교하여 도시한 그래프이다. 보다 구체적으로, 도 4는 UTS
Figure pct00002
120 MPa, 연신율
Figure pct00003
35%의 압출된 상태의 2x20 mm 직사각형 Al-0.5 wt% CNT 버스바의 특성을 보여주는 인장 시험을 포함한다. 대조적으로, 압출된 상태의 순수 Al 버스바는 UTS
Figure pct00004
52 MPa 및 연신율
Figure pct00005
27%를 보여준다. Al-CNT 2x20 mm 직사각형 버스바의 압출은 응력을 완화할 수 있을 정도로 충분히 상승된 온도에서 수행되기 때문에, MMC는 냉간 가공을 거친 이후의 유사한 조성의 재료보다 더 큰 연신율 및 더 낮은 강도를 갖는다. 이 상태에서, 약 120 MPa의 UTS 및 약 30%의 연신율을 갖는 이 재료는 작은 내부 반경을 갖는 굽힘 및 엣지방향(즉, 어려운 방식) 굽힘과 같이, 복잡한 형상으로 형성될 필요가 있는 버스바 응용에 적합하다. 본 예의 강도가 냉간 가공된 Al-C MMC 버스바에 대해 달성가능한 것보다 낮지만, 약 120 MPa의 UTS는 연질 조건에서 많은 일반적인 Al 전도체보다 여전히 높다(예를 들어, Al-1350-O는 UTS
Figure pct00006
60 MPa).
전기 전도도
일 예에서, 여러 상이한 제조 가동에서 제조된 원형 와이어 샘플에 대해 측정된 압출된 상태의 Al-0.5 wt% CNT MMC의 전도도는 일관되게 58% IACS 초과하는 것으로 측정되었다.
크리프 거동
도 5는 비교를 위해 Al-0.5wt% CNT 버스바와 Al 합금 A6063-T5 버스바를 대상으로 수행한 크리프 시험 결과를 도시한 그래프이다. 도 5는 보다 구체적으로 Al-0.5 wt% CNT 버스바에 대한 초기 크리프 시험 결과를, A6063-T5 버스바에 대한 결과와 비교하여 도시한다. 150℃에서 실온 항복 강도의 80%까지 하중이 가해진 샘플로 양 시험이 수행되었기 때문에, Al-CNT MMC 버스바는 개선된 크리프 특성을 갖는 것으로 도시된다. 일 예에서, 과도한 비용을 회피하고자 500시간째에 시험을 중단하기 이전에, Al-0.5 wt% CNT에서 3차 크리프는 도달되지 않았다.
본 개시의 Al-0.5 wt% CNT 버스바는, 그의 실온 항복 강도의 80%에 상응하는 샘플 하중으로 150℃에서 100시간 동안 크리프 시험시, 약 5% 미만, 또는 4% 미만, 또는 3% 미만, 또는 2% 미만, 또는 1% 미만의 총 변위를 나타낼 수 있다. 일부 실시예에서, MMC 버스바는 동일한 조건 하에서 500시간 동안 크리프 시험시 약 5% 미만, 또는 4% 미만, 또는 3% 미만, 또는 2% 미만, 또는 1% 미만의 총 변위를 나타낼 수 있다.
잔류 응력을 부가하기 위한 냉간 가공 후의 Al-CNT 특성의 예
강도 및 연신율 거동
도 6은 냉간 가공이 단면적 감소와 함께 Al-0.5wt% CNT MMC 및 Al 원형 와이어의 강도에 어떻게 영향을 주는지를 도시한 그래프이다. 보다 구체적으로, 도 6은 Al-0.5 wt% CNT 및 Al 와이어에 대해서 부가된 냉간 가공(와이어 인발)에 의한 플롯팅된 강도 개선을 나타낸다.
이러한 데이터에 기초하여, 약 335 MPa만큼 높은 강도가 충분한 냉간 가공 면적 감소와 함께 Al-0.5 wt% CNT MMC에서 관찰되었다. 이에 반해 순수 Al 와이어는 초기에는 냉간 가공으로 강도가 증가하였으나 MMC에 비해 다소 감소된 속도로 증가하였다. 또한, 순수 Al 와이어의 UTS는 약 140 MPa에서 정체기에 도달하였다. MMC의 연신율은 모든 수준의 냉간 가공에서 3-5%로 일관되게 유지된다. 와이어가 아닌 버스바 응용에 이 재료를 사용할 때는 이 거동이 유의하게 변하지 않는다. 면적 감소에 대한 대안으로서, 단면적을 변화시키지 않고 내부 응력을 인가하는 공정(ECAP 등)이, 최종 목표 치수로 또는 그 근처로 초기에 제조된 버스바의 강도를 증가시키는데 사용될 수 있다.
전기 전도도
이 예에서, 인발된 Al-CNT 와이어의 전기 전도도는 냉간 가공이 적용되기 전의 와이어와 유사한 범위인 것으로, 58% IACS 초과하는 것으로 관찰된다.
열적 안정성
Al-C MMC 제품의 열적 안정성을 평가하기 위해, 2개의 상이한 수준의 적용된 냉간 가공(단면적의 85% 및 98% 감소)으로 인발된 Al-0.5 wt% CNT 와이어에, AT4 등급(사양 IEC 62004에 기재된 열적 안정성의 최고 등급, "오버헤드 라인 전도체용 내열 알루미늄 합금 와이어")을 위한 열처리를 적용한다. AT4 열적 안정성의 자격을 얻기 위해, 와이어는 310℃에서 400시간 또는 400℃에서 1시간 동안 홀딩된 후 이들의 UTS의 90% 초과를 유지해야 한다. 도 7은 2개의 상이한 수준의 적용된 냉간 가공(85 및 98% 면적 감소)으로 인발된 Al-0.5wt% CNT 와이어에 대한 열적 안정성 시험 결과를 보여준다. 도 7에 도시된 바와 같이, 인발된 Al-0.5wt% CNT 와이어 모두 이 시험을 쉽게 통과했으며, 열적 안정성을 나타냈다. 양 와이어는 지시된 열처리 후에 이들의 초기 UTS의 90% 초과를 유지하므로, IEC 62004에 기재된 최고 수준의 열적 안정성인 AT4 등급에 대한 자격을 얻는다. 이 거동은 와이어에만 특정되지 않으며 버스바 응용으로 확장될 수 있다.
Al-CNT MMC 내의 CNT의 균일한 분포를 달성하는 이점의 예
배합 압출 공정을 통한 균일한 분포 달성
도 8은 2개의 Al-0.5 wt% CNT MMC들: 배합 압출 공정에 의해 CNT의 균일한 분포가 달성되기 이전의 것(CNT MMC 800)과 달성되기 이후의 것(CNT MMC 802) 사이의 미세구조적 차이를 보여주는 이미지를 포함한다. CNT MMC(800)에서, 많은 큰 CNT 응집체가 이미지에서 흑점으로 명백하게 보인다. 이와 같이 CNT는 매트릭스로부터 크게 분리되며, 복합체의 기계적 물성이나 열적 안정성을 향상시키는데 기여하지 않는다. 압출 처리 이후, CNT MMC(802)에서, 이러한 큰 가시성 흑점의 수 및 크기는 감소되었지만, 측정된 탄소 함량은 일관되게 유지되었다. 이러한 관찰 및 다른 관찰로부터, 배합 압출 공정에 의해 큰 CNT 응집체가 분해되고 CNT가 보다 균일하게 분포된다는 것이 명백하다. 이는 본원에서 논의된 바와 같이, CNT MMC의 특성에 대해 여러 이점을 갖는다.
보여지는 바와 같이, 배합 압출 공정을 재료에 적용한 이후 CNT 분포가 향상된다. 이들 단면 현미경 사진은 Al-0.5 wt%의 CNT MMC 버스바로서, CNT의 균일한 분포를 달성하기 위해 부가된 압출 공정 이전의 높은 수준의 바람직하지 않은 CNT 응집을 갖는 것(CNT MMC 800) 및 부가된 압출 공정 이후의 낮은 수준의 바람직하지 않은 CNT 응집을 갖는 것(CNT MMC 802)을 보여준다. 가시성 흑점은 CNT 응집체이고, 배합 압출 공정 후 이들 점의 크기 및 수 밀도의 현저한 감소는 공정이 응집체를 분해하고 CNT를 균일하게 분포시켰음을 나타낸다. 탄소 농도 측정은 이들 MMC의 탄소 함량이 이러한 처리에 의해 변하지 않고 유지되었음을 검증하였으며, 따라서 동일한 양의 CNT가 둘 모두에 존재할 것으로 예상된다.
일부 실시예에서, Al-CNT MMC에서는 응집체 또는 입자의 수가 최소화되고, 기존의 응집체가 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 더 적고 더 작은 응집체의 존재는 CNT가 Al 매트릭스 내에 더 잘 분포된다는 것을 나타내고, 기계적 특성 및 열적 안정성 측면에서 더 많은 이점을 제공할 수 있다. Al-CNT MMC 내의 CNT 응집체의 통계적 분포를 이들 특성의 향상 정도와 대략적으로 상관시킬 수 있다.
도 9는 각각 ~0.5wt% CNT를 함유한 2개의 MMC에서 CNT 응집체의 크기와 밀도에 대한 자세한 정보를 제공하는 2개의 플롯을 도시한다. 플롯은 압출 처리 방향에 수직으로 절단된 샘플에 수행된 분석의 결과를 나타낸다. 이 분석은 초기에 불량한 CNT 분포를 갖는 Al-CNT MMC에 적용된 추가적인 압출 처리가 CNT 응집체가 차지하는 단면적의 상당한 감소뿐만 아니라 1 ㎛ 직경보다 큰 응집체의 밀도의 상당한 감소를 초래한다는 것을 보여준다.
특히, 도 9의 플롯(900)은, 평균 직경이 ~10 ㎛보다 큰 응집체에 대해, 초기 Al-CNT MMC가 단면 영역 내에서 ~10/mm2의 수 밀도를 갖는 반면, 추가 처리에 의한 Al-CNT MMC는 이러한 응집체에 대해 1/mm2 미만의 수 밀도를 갖는다는 것을 보여준다. 도 9의 플롯(900)에 도시된 바와 같이, 초기 Al-CNT MMC에 대해 ~1 ㎛보다 큰 평균 직경을 갖는 CNT 응집체에 의해 점유된 총 면적 분율은 ~0.0038 또는 0.38%인 반면, 추가 압출 처리를 한 MMC에 대한 총 CNT 응집체 면적은 ~0.0005 또는 0.05%이다.
큰 CNT 응집체의 크기 및 밀도의 감소는 Al 매트릭스 내에서 CNT의 보다 균일한 분포를 초래하여, 복합체의 기계적 특성 및 열적 안정성에 대한 실질적인 이점을 제공한다. 균일한 분포는 CNT 응집체의 전체 면적 분율 또는 퍼센트에 의해 정의될 수 있지만, 또한 MMC에서의 총 CNT 함량에 의존한다.
따라서, 일 예에서, 균일한 분포의 CNT를 갖는 Al-CNT MMC는 ~0.5 wt% CNT를 함유하고, 평균 직경 ~1 ㎛ 이상의 응집체에 대해 0.38% 미만의 CNT 응집체 면적 퍼센트를 나타낸다. 상기 Al-CNT MMC의 총 면적 퍼센트는 평균 직경 ~1 ㎛ 이상의 응집체에 대해 바람직하게는 0.20% 미만, 더 바람직하게는 0.10% 미만이다.
굽힘 거동
도 10은 Al-CNT MMC 버스바 내의 CNT의 균일한 분포로부터 굽힘 거동이 또한 이로울 수 있음을 보여주는 이미지를 포함한다. 보다 구체적으로, 도 10은 연질 조건(최소 잔류 응력)에서 평면 방향으로 180도 굽어진 Al-0.5wt% CNT MMC 버스바의 이미지를 도시한다. 이미지는 Al 내에서 CNT의 균일한 분포를 달성하기 위해 추가 압출 단계 이전의 제1 버스바(1000a) 및 추가 압출 단계 이후의 제2 버스바(1002a)를 포함한다. 이들 이미지로부터, CNT의 균일한 분포를 갖는 것은 굽힘 거동을 개선한다는 것이 명백하다. CNT의 균일한 분포가 결여된 제1 버스바(1000a)는 180도 평면방향 굽힘 후 수많은 크랙을 나타내지만(1000b 참조), CNT의 균일한 분포를 달성하기 위해 압출 단계를 추가한 것을 제외하고 제1 버스바(1000a)와 동일한 제2 버스바(1002a)는 임의의 관찰된 크랙 전파 없이 180도 굽힘을 완료할 수 있다(1002b 참조).
열적 안정성
전술한 이점에 추가하여, Al-CNT MMC 내에서 CNT의 균일한 분포를 달성하는 것은 열적 안정성을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 도 11은 CNT 분포가 균일한 상이한 냉간 가공된 Al-0.5 wt% CNT MMC 와이어에 대응하는 샘플 1102와 비교하여, 수많은 큰 응집체를 갖는 CNT 분포가 열등한 냉간 가공된 Al-0.5 wt% CNT MMC 와이어에 대응하는 샘플 1100의 결정립 크기에 열처리가 어떤 영향을 미치는지를 도시한다. 구체적으로, 도 11은 냉간 가공된 Al-0.5 wt% CNT MMC 와이어에서 균일한 CNT 분포의 이점을 예시하는 독특한 결정립 전자 후방산란 회절(electron backscatter diffraction; EBSD) 이미지를 보여준다. 불량한 CNT 분포를 갖는 샘플(1100)은 냉간 가공(인발) 및 어닐링 시에 불균일하고 과도한 결정립 성장을 초래하는 더 큰 초기 결정립 크기를 갖는다. 균일한 CNT 분포를 갖는 샘플(1102)은 더 작은 초기 결정립 크기를 가지며, 동일한 냉간 가공 및 열 처리를 받을 때 샘플 전체에 걸쳐 비교적 일정하고 균질한 결정립 크기를 유지한다. 불량하게 분산된 CNT를 갖는 샘플(1100)에서, 결정립 성장은 샘플의 일부 영역에서 확인되지 않는 반면, 다른 영역은 이러한 성장에 저항한다. 이는, 순수 Al의 열적 안정성과 유사한 열적 안정성을 갖는 CNT의 양이 비교적 낮거나 CNT가 부재한 MMC 내의 영역에 기인한 것일 수도 있다. 이러한 현상은 균일하게 분포된 CNT 함량을 갖는 샘플(1102)(예를 들어, 동일한 C 함량을 갖는 더 작은/더 적은 CNT 응집체)에서 관찰되지 않는다.
결정립이 방해 없이 자유롭게 성장하는 내부 영역을 갖는 결과로서, 불량하게 분산된 CNT를 갖는 Al-0.5 wt% CNT 샘플(1100)의 열적-기계적 특성은 균일하게 분포된 CNT를 갖는 Al-0.5 wt% CNT 샘플(1102)의 열적-기계적 특성보다 현저히 덜 열적으로 안정하다. 예를 들어, 도 12는 불량한 CNT 분포를 갖는 Al-CNT MMC가 IEC 62004 당 AT4 기준을 충족하지 않는 반면, 균일한 CNT 분포를 갖는 샘플은 AT4 기준을 충족한다는 것을 보여준다(시험에 대한 설명에 대해서는 이전 열적 안정성 섹션 및 도 7 참조).
보다 구체적으로, 도 12의 플롯은 불량한 CNT 분포를 갖는 인발된 Al-0.5 wt% CNT MMC 와이어의 열적 안정성을 균일한 CNT 분포를 갖는 것과 비교한다. 도 7에서와 같이, 샘플은 타입 AT4 재료에 대한 열적 안정성 요건을 충족시키기 위해 특정된 열처리 후에 이들의 초기 UTS의 90% 초과를 유지할 필요가 있다. CNT가 불량하게 분포된 샘플은 이 메트릭을 통과하지 못한다. 따라서, 이러한 비교는 Al-CNT MMC에서 CNT 응집체를 분해(breaking up)하고 CNT의 균일한 분포를 갖는 것의 중요성을 강조하는데, 이들이 그들의 최대한의 잠재력을 달성하기 위한 것이다.
실시예
개시된 실시예는 전기 전력 분배 응용(예를 들어, 자동차 응용)을 위해 구성된 버스바를 포함한다. 버스바는 나노스케일 탄소 입자의 농도(예를 들어, 양)를 갖는 Al-MMC를 포함할 수 있다. 나노스케일 탄소 입자의 농도는 0.01 내지 2 중량 퍼센트(wt%), 예컨대 0.1 내지 1 wt%, 또는 예컨대 0.2 내지 0.8 wt%, 또는 예컨대 0.25 내지 0.75 wt%, 또는 예컨대 0.4 내지 0.6 wt%의 범위일 수 있다. 나노스케일 탄소 입자는 Al-MMC 전체에 걸쳐 균일하게 분산된다.
나노스케일 탄소 입자는 단일벽 탄소 나노튜브(CNT), 다중벽 CNT, 그래핀 나노판(GNP), 풀러렌, 나노다이아몬드, 및/또는 주로 sp2 또는 sp3 탄소를 갖는 나노입자를 포함할 수 있다. 일 예에서, 나노스케일 탄소 입자는 CNT, GNP, 풀러렌, 나노다이아몬드 및 주로 sp2 또는 sp3 탄소를 갖는 나노입자로 이루어진 군으로부터 선택된 입자의 혼합물을 포함한다.
일 예에서, 버스바는 50% 국제 어닐링된 구리 표준(IACS) 초과의 전도도, 80 MPa 초과의 극한 인장 강도(UTS), 및 10% 초과의 연신율을 가질 수 있다. 예를 들어, 버스바는 50% 초과, 또는 55% 초과, 또는 58% 초과의 IACS의 전도도, 120 MPa 초과의 UTS, 및 30% 초과의 연신율을 가질 수 있다. 다른 범위는 50% 초과, 또는 55% 초과, 또는 58% 초과의 IACS의 전도도, 200 MPa 초과의 UTS, 및 1% 초과의 연신율을 포함한다. 또 다른 예에서, 버스바는 50% 초과, 또는 55% 초과, 또는 58% 초과의 IACS의 전도도, 300 MPa 초과의 UTS, 및 3% 초과의 연신율을 갖는다.
개시된 실시예는 또한 MMC 컴포넌트(예를 들어, Al-C MMC 버스바)에서 나노스케일 탄소 입자의 균일한 분포를 달성하기 위한 공정을 포함한다. 공정은 금속 매트릭스 및 나노스케일 탄소 입자를 포함하는 MMC 공급원료 물질을 수득하는 단계 및 고상 변형 공정을 통해 MMC 공급원료 물질을 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 이와 같이, MMC 컴포넌트는 예를 들어 0.01 내지 2 wt%의 농도 범위에서 나노스케일 탄소 입자의 균일한 분포를 가질 수 있다. 고상 변형 공정의 예는 압출 공정 및/또는 ECAP 공정을 포함한다.
전술한 것으로부터, 본 발명의 특정 실시예가 예시의 목적으로 본 명세서에서 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (21)

  1. 전기 전력 분배 응용을 위해 구성된 버스바로서,
    상기 버스바는
    0.01 내지 2 중량 퍼센트(wt%) 농도의 나노스케일 탄소 입자들을 포함하는 알루미늄(Al) 금속 매트릭스 복합체(metal matrix composite, MMC)를 포함하고,
    상기 나노스케일 탄소 입자들은 Al-MMC의 전체에 걸쳐 균일하게 분포되는, 버스바.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노스케일 탄소 입자들의 농도는 0.1 내지 1 wt% 범위인, 버스바.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노스케일 탄소 입자들의 농도는 0.2 내지 0.8 wt% 범위인, 버스바.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나노스케일 탄소 입자들은 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotube, CNT)들을 포함하는, 버스바.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노스케일 탄소 입자들은 다중벽 CNT들을 포함하는, 버스바.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노스케일 탄소 입자들은 그래핀 나노판들(graphene nanoplatelets, GNPs), 풀러렌들, 나노다이아몬드들, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 버스바.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나노스케일 탄소 입자들은 주로 sp2 또는 sp3 탄소를 갖는 나노입자들을 포함하는, 버스바.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 나노스케일 탄소 입자들은:
    CNT들,
    GNP들,
    풀러렌들,
    나노다이아몬드들,
    주로 sp2 또는 sp3 탄소를 갖는 나노입자들, 및
    이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 버스바.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버스바는 전기 전도도가 50% 국제 어닐링된 구리 표준(International Annealed Copper Standard; IACS) 초과하고, 극한 인장 강도(ultimate tensile strength; UTS)가 80 MPa 초과하고, 연신율이 10% 초과하는, 버스바.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 버스바는 전기 전도도가 50% IACS 초과하고, UTS가 120 MPa 초과하고, 연신율이 30% 초과하는, 버스바.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버스바는 전기 전도도가 50% IACS 초과하고, UTS가 200 MPa 초과하고, 연신율이 1% 초과하는, 버스바.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 버스바는 전기 전도도가 50% IACS 초과하고, UTS가 300 MPa 초과하고, 연신율이 3% 초과하는, 버스바.
  13. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버스바를 400℃에서 1시간 동안 또는 310℃에서 400시간 동안 가열한 이후, 상기 버스바의 UTS는 가열 이전의 그 UTS의 적어도 90%인, 버스바.
  14. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    150℃에서 100시간 동안 그의 실온 항복 강도의 80%의 인가된 하중으로 크리프 시험한 이후, 상기 버스바는 5% 미만의 총 변위를 보이는, 버스바.
  15. 제14항에 있어서,
    150℃에서 500시간 동안 실온 항복 강도의 80%의 하중을 가하여 크리프 시험한 이후, 상기 버스바는 5% 미만의 총 변위를 보이는, 버스바.
  16. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 전력 분배 응용은 자동차 응용인, 버스바.
  17. 제16에 있어서,
    상기 버스바는 약 0.5 wt% 까지의 총 탄소 함량 및 균일한 탄소 분포를 가지며, 여기서 약 1 ㎛보다 큰 탄소 입자들의 총 면적 분율은 약 0.38% 미만인, 버스바.
  18. 금속 매트릭스 복합체(metal matrix composite; MMC) 컴포넌트의 전체에 걸쳐 나노스케일 탄소 입자들의 균일한 분포를 달성하기 위한 방법으로서,
    금속 매트릭스 및 나노스케일 탄소 입자들을 포함하는 금속 매트릭스 복합체(MMC) 공급원료 물질을 수득하는 단계; 및
    상기 MMC 컴포넌트의 전체에 걸쳐 상기 나노스케일 탄소 입자들의 균일한 분포를 갖는 상기 MMC 컴포넌트를 형성하기 위해 고상(solid-state) 변형 공정을 통해 상기 MMC 공급원료 물질을 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 고상 변형 공정은 압출 공정을 포함하는, 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 고상 변형 공정은 등 통로 각 압축(Equal Channel Angular Pressing; ECAP) 공정을 포함하는, 방법.
  21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MMC 공급원료 물질은 알루미늄(Al) MMC 공급원료 물질인, 방법.
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