热挤压超导碳铝复合材料，用于高效电力传输

《Journal of Materials Research and Technology》：Hot-Extruded Ultra-Conductive Carbon Aluminum Composites for Efficient Power Transmission

轻质铝基导体中煤衍生碳材料提升电导率的研究：采用固相热挤压工艺制备含煤制石墨烯的12AWG铝碳复合线，通过调整碳含量（0.05-0.5 wt.%）和类型（煤制石墨、BFG闪热石墨等），发现0.05 wt.%煤制闪热石墨（BFG）可使电导率达61.8% IACS，较商用AA1100铝线提升2.8%，且成本降低2个数量级。研究揭示了 turbostratic结构碳材料在高温塑性变形中通过界面协同效应实现高效载流传输，为低成本新能源导体开发提供新路径。

　　
本研究聚焦于通过煤衍生碳材料提升铝基复合导体的电气性能，同时探索其经济可行性和规模化生产的潜力。团队采用固体相热挤压工艺，将不同类型和含量的煤衍生石墨、石墨烯与铝箔复合，制备出12 AWG规格的铝碳复合材料导线。研究显示，0.05%煤衍生闪热石墨（BFG）的添加可使导线导电率达到61.8% IACS（国际退火铜标准），较商业铝导线（60.1% IACS）提升2.8%，并超越此前所有商业石墨烯增强铝基复合材料的导电性记录。

研究材料涵盖三种煤衍生碳：Itmann石墨（热解温度2850℃）、White Forest石墨（热解温度2850℃）和闪热石墨（BFG，通过电脉冲瞬间加热至2730℃）。实验发现，高缺陷密度的BFG反而展现出最佳性能。通过拉曼光谱分析，BFG的D/G峰比值（0.36）虽高于Itmann石墨（0.26），但其 turbostratic（类石墨烯）结构在热挤压过程中更易解离为单层结构，形成连续导电网络。TEM图像显示，BFG在挤压过程中发生均匀解离，形成沿挤出方向排列的石墨烯片层，而商业石墨烯（Graphene Supermarket）因过度结晶在挤压中易破碎，反而降低导电性。

工艺创新方面，研究采用传统但高量产的固体相热挤压技术（450℃、0.076mm/s速度），相较于新兴的ShAPE剪切辅助工艺（需依赖昂贵的CVD石墨烯），展现出更优的成本效益。通过优化碳前驱体处理（球磨+超声分散），确保碳颗粒在铝基体中的均匀分布。实验数据显示，0.05% BFG添加量可使导电率提升至61.8% IACS，而0.5%高含量添加时，导电率仅提升1.3% IACS，表明存在最佳碳添加阈值。同时，复合材料的抗拉强度（96MPa）和硬度（32HV）与基体铝导线（130MPa/35HV）相当，证实了机械性能的兼容性。

研究发现，导电性提升主要源于三方面机制：1）碳材料在挤压过程中的动态解离，形成单层石墨烯与铝基体更紧密的晶格匹配；2）碳-铝界面电子跃迁效率提升，基于分子动力学模拟显示的电子云密度增强；3）复合结构中形成连续导电通道，降低载流子散射概率。值得注意的是，传统认知中"低缺陷碳材料更优"的结论在本研究中被颠覆——BFG的高缺陷密度（D/G=0.36）反而因其特殊的 turbostratic 结构，在热挤压剪切应力作用下更易形成定向排列的导电网络。

该成果的经济价值显著。研究对比显示，BFG原料成本（40-200美元/公斤）仅为商业石墨烯（10万-20万美元/公斤）的百万分之一。即使按最高成本计算，0.05%添加量所需碳材料成本（约2美元/米导线）低于铝导线本身（130美元/米）的0.02%，充分体现规模化生产的可行性。

工程应用方面，研究首次系统验证了煤衍生碳材料的全流程适用性。通过改进传统挤压工艺参数（温度、速度、预成型压力），实现碳材料定向排列。微结构分析表明，复合导线内部形成6.8微米间距的同心环状结构，这种由挤压剪切力诱导的有序碳分布，有效降低了电子散射路径。此外，研究揭示了碳添加量与电阻温度系数（TCR）的复杂关系：0.05% BFG添加使TCR降低5%（从4.0×10^-3到3.8×10^-3），而0.5%添加量虽提升TCR达7.3%，但此时导电性增益已趋平。这种负相关性为优化复合材料热稳定性提供了新思路。

研究还对比了不同碳前驱体的工艺适应性：机械球磨处理的Itmann石墨虽缺陷密度低（D/G=0.26），但因颗粒尺寸较大（10-19μm）难以有效解离；而BFG通过瞬间高温（>2730℃）裂解，形成更小（<2μm）、更均匀的 turbostratic 结构，在挤压过程中更易与铝基体形成连续导电通路。这种结构特性差异导致BFG在相同添加量下表现出更优的导电性能，证实了前驱体合成工艺对最终复合材料性能的关键影响。

工程验证部分，研究采用四探针法沿导线轴向连续测量（间隔25mm，总长2-3米），发现导电率提升具有沿程一致性（误差<0.15% IACS）。同时通过硬度测试（HV 32）和拉伸试验（UTS 96MPa）验证，复合材料的机械强度与商业导线相当，延伸率（35%）虽略低于基体（39%），但仍在工程可接受范围内。

该成果对能源基础设施升级具有重要指导意义：1）开辟了低成本的煤基碳材料资源，打破传统高成本石墨烯的技术壁垒；2）建立了"材料前驱体特性-加工工艺匹配-性能优化"的系统评价框架，为类似复合材料的开发提供方法论；3）揭示的"缺陷密度-导电性"反向关系，挑战了传统材料科学认知，提示应关注碳材料动态解离特性而非静态缺陷指标。

未来研究方向建议：1）探索不同煤源碳材料特性与加工工艺的匹配关系；2）开发实时监测挤压过程中碳解离动态的技术手段；3）研究碳添加量与机械性能的协同优化模型。该研究为新型导电材料的大规模应用提供了理论支撑和技术路径，特别是在电动汽车充电电缆、智能电网输电线路等高端装备领域具有广阔前景。