An Axially Continuous Graphene–Copper Wire for High‐Power Transmission: Thermoelectrical Characterization and Mechanisms

材料科学 微尺度化学 石墨烯 电阻率和电导率 轴对称性 电流密度 热导率 导电体 复合材料 光电子学 纳米技术 电气工程 冶金 结构工程 工程类 数学教育 物理 量子力学 数学
作者
Hamzeh Kashani,Chung-Hwan Kim,Christopher Rudolf,F. Keith Perkins,Erin R. Cleveland,Wonmo Kang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:33 (51): e2104208-e2104208 被引量:47
标识
DOI:10.1002/adma.202104208
摘要

Abstract The demand for high‐power electrical transmission continues to increase with technical advances in electric vehicles, unmanned drones, portable devices, and deployable military applications. In this study, significantly enhanced electrical properties (i.e., a 450% increase in the current density breakdown limit) are demonstrated by synthesizing axially continuous graphene layers on microscale‐diameter wires. To elucidate the underlying mechanisms of the observed enhancements, the electrical properties of pure copper wires and axially continuous graphene–copper (ACGC) wires with three different diameters are characterized while controlling the experimental conditions, including ambient temperature, gases, and pressure. The study reveals that the main mechanism that allows the application of extremely large current densities (>400 000 A cm −2 ) through the ACGC wires is threefold: the continuous graphene layers considerably improve: 1) surface heat dissipation (224% higher), 2) electrical conductivity (41% higher), and 3) thermal stability (41.2% lower resistivity after thermal cycles up to 450 °C), compared with pure copper wires. In addition, it is observed, through the use of high‐speed camera images, that the ACGC wires exhibit very different failure behavior near the current density limit, compared with the pure copper wires.
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