電動運輸: 21世紀關鍵技術趨勢之一

在過去的幾十年里，人類為滿足能源和運輸需求而開采大量化石燃料資源對環境造成的破壞已經變得越來越明顯。

電動汽車是一個增長的行業，在過去的十年里，一些汽車公司推出了全電動的車型。此外，目前將碳排放減少到零的承諾，使各國政府的目標是在未來十年或二十年內逐步淘汰新的內燃機汽車銷售，而改用電動車型。

電力推進已經被廣泛地探索用于多種類型的車輛，包括家庭轎車、重型貨車、火車和飛機。然而，要使電力推進系統提供與傳統內燃機汽車相同的性能和效率，必須應對一些技術挑戰，特別是重型車輛、火車和飛機需要能夠提供卓越動力總成性能的系統。

使用多功能材料優化電力推進系統

優化推進系統對于確保其能夠滿足新一代運輸的電力需求的高效性能至關重要。優化組件是科學家和制造商廣泛采用的技術方法。除了這種成分優化之外，高效多功能材料的設計已成為近年來的主要研究趨勢。

在多功能材料中，儲能復合材料在最近的研究中得到了探索。這些材料有助于實現高效節能的飛機和道路車輛。與這些材料及其在組件中使用相關的一個關鍵挑戰是設計它們以提供高電能以滿足車輛系統的需求并減少組件重量。

為了減少電纜重量，主要策略是提高工作電壓。如果電壓增加到 2000 V，則只需要 200 kg 的電纜。這種方法適用于主要的電力傳輸線，但最先進的客機也有大量用于多個系統的電纜，這種策略可能不足以用于這些類型的電纜。在擁有 300 個座位的全電動客機中，布線可占電氣系統總質量的 30%。

目前已提出包含金屬相的多功能導電混合材料作為解決全電動交通關鍵技術挑戰的潛在解決方案。由于碳的高電阻率和聚合物基體的絕緣性能，包含碳基納米材料和聚合物的混合復合材料的電導率低。

當前研究中的一種方法是整合微型連續金屬纖維。這些纖維的直徑小于100 μm。然而，高體積分數是必要的，這會導致重量增加的問題。需要一種更高效、更輕質的材料策略來幫助這些多功能材料在未來的電動交通中具有商業可行性。

擬解決方案

為了克服這一關鍵問題，來自德國和加拿大的一個團隊開發并評估了一種新型輕質高效的多功能混合復合材料，其中包含玻璃纖維和鋁纖維。

該復合材料結合了單向鋁纖維預浸料和單向玻璃纖維編織織物。復合材料是用纏繞技術制備。對不含鋁的參考樣品和以三種不同比例含鋁的樣品的材料性能進行了評估。

性能是根據不同的機械和電氣負載來測量的。采用了各種技術來評估樣品，包括電位儀、熱成像和顯微鏡。該團隊表征了多功能復合材料的機械性能。首先，評估了材料在疲勞和靜態負載方面的機械性能；其次，研究旨在證明該復合材料可以在不影響其機械性能的情況下攜帶技術上相關電荷；第三，更深入地了解機械和電荷下的損傷機制。最后，研究討論了所提出的多功能混合材料的能力和它的技術潛力。因此，該研究為電力推進系統和電動汽車的未來發展提供了有價值的信息，并為實現新一代電導體提供了途徑。

研究結果

該研究得出了幾點重要的結論。首先，平行方向上的疲勞和拉伸強度沒有受到10%的鋁集成體積的負面影響。然而，橫向強度卻明顯降低。改進的表面處理可以改善這一點。電導率在靜態載荷下一直保持到試樣破裂，但在循環載荷下會下降。

復合材料可以承載320 mA/mm2的電流。然而，在低負荷水平下對疲勞壽命有負面影響。需要解決的一個基本問題是薄鋁纖維接觸。這在整合更細纖維的方法中尤其重要。

該團對研究的另一個問題是所使用的低電壓。現實世界的電動汽車需要更高的能量傳輸，因此需要對高電壓和高電流進行進一步研究。此外，未來還需要對工業制造、可靠和耐用的接觸器設計、電氣系統集成以及可修復性和安全性問題進行研究。