Informe técnico
La tecnología de nanotubos de carbono puede llevar a una revolución en el cableado
La manipulación de CNT en forma de hilos y cintas hace que los procesos de fabricación de cables deban perfeccionarse para optimizar la producción y mejorar los rendimientos.
Revolución en el cableado
Mientras que la tecnología de nanotubos de carbono (CNT) ha generado un amplio interés para aplicaciones como la medicina, un área que es un foco de investigación en TE Connectivity (TE) son los cables eléctricos de alto rendimiento. TE ha estado desarrollando activamente CNT para alambre y cable, incluidos los esfuerzos de cooperación con universidades y líderes de la industria, y tiene muestras prototipo para su evaluación. Aunque todavía queda mucho por hacer antes de que los cables de CNT se conviertan en la corriente principal, creemos que la tecnología está lo suficientemente avanzada como para satisfacer aplicaciones específicas como los satélites.
Los cables que utilizan componentes CNT tienen el potencial de convertirse en una tecnología disruptiva, principalmente debido al ahorro de peso en comparación con los materiales existentes. En términos prácticos, estos ahorros significan reducciones de peso de decenas a miles de libras en plataformas que van desde satélites hasta vehículos aéreos no tripulados y aviones militares tripulados. Por ejemplo:
- Satélites: Los costos de lanzamiento para poner un satélite en órbita pueden variar de $5000 a $50,000 por libra de carga útil. Cualquier reducción en el peso puede influir significativamente en los costos o permitir un peso adicional para equipos científicos y de ingeniería adicionales o más combustible de maniobra para extender la vida útil de la misión.
- UAVs: Un menor peso significa tiempos más largos en el aire. Considere que el UAV grande contiene alrededor de 850 libras de cable. Usar una pantalla CNT en lugar de uno metálico podría ahorrar 300 libras. Un cable totalmente CNT podría ahorrar 100 libras adicionales, reduciendo el peso total de 850 a 450 libras.
- Aeronaves tripuladas: el ahorro de peso se traduce en una mayor eficiencia de combustible, mayores cargas útiles o mayor alcance.
Las ventajas del cable CNT van más allá de las aplicaciones aeroespaciales. El ahorro de peso también puede ser importante para los vehículos terrestres e incluso para el equipo usado por los soldados.
La gran relación de aspecto de un solo nanotubo de carbono, de unos pocos nanómetros de diámetro pero varios milímetros de longitud, le confiere propiedades notables en la nanoescala: Resistencia a la tracción mayor que la del acero, conductividad mayor que la del cobre, disipación térmica mayor que la del diamante y resistencia a la corrosión y la fatiga. La siguiente tabla muestra las propiedades típicas de un solo nanotubo de carbono.
| Fuerza mecánica | CNT | Acero | Aluminio |
|---|---|---|---|
| Módulo de Young (TPa) | De 0.8 a 1.4 | 0.3 | 0.7 |
| Resistencia a la tracción (GPa) | 63 | 2 | 0.3 |
| Densidad (g/cm3) | 1.4 | 8 | 2.7 |
Pantallas CNT
Los CNT se cultivan mediante procesamiento térmico y se organizan en hilos para conductores y en cintas, láminas e hilos para pantallas.
Agrupar hebras de CNT en hilos o láminas para lograr tamaños prácticos altera las propiedades del material. Un solo nanotubo de carbono tiene una conductividad treinta por ciento más alta que el cobre, pero un hilo compuesto por una red de CNT es órdenes de magnitud menos conductivo que el cobre. La figura a continuación muestra los esfuerzos recientes en la mejora de la conductividad del hilo CNT desde 2007.
Los cables CNT ahora se están desarrollando activamente para aplicaciones MIL-STD-1553B e IEEE 1394 para aplicaciones aeroespaciales y satelitales, con una transición de prototipos a producción en los próximos años. Los cables IEEE 1394 iniciales utilizarán blindaje CNT, mientras que los cables MIL-STD-1553B probablemente serán la primera construcción totalmente CNT.
Los blindajes basados en CNT combinan una alta efectividad de blindaje con un ahorro de peso significativo. Una cinta CNT de dos capas ofrece aproximadamente el mismo blindaje que una trenza de cobre a altas frecuencias, aproximadamente 50 dB a 4 GHz, pero pesa menos del 2 % de la trenza que reemplaza.
Sin embargo, la alta resistividad de los blindajes CNT significa un rendimiento de blindaje deficiente por debajo de 100 MHz y una incapacidad para proporcionar protección contra rayos. Para los cables de doble trenzado comunes en aplicaciones aeroespaciales, reemplazar una de las trenzas con CNT permite que la trenza restante maneje el ruido de baja frecuencia y los rayos, mientras que la pantalla de CNT maneja las frecuencias más altas. El ahorro de peso es del 25 al 30 % para las construcciones de pantalla híbridas.
¿Listo para el prime time?
A medida que se avanza hacia la habilitación del uso de materiales de CNT en los cables, otras dos cuestiones merecen mencionarse. El primero es cómo conectar los cables CNT. Los conductores CNT son compatibles con los contactos existentes y se pueden conectar con técnicas de remachado estándar, aunque con ajustes de herramientas de remache y matrices modificadas. Las pruebas de la resistencia mecánica de los remaches sugieren que los hilos CNT fallan antes que el remache. Los escudos se pueden conectar en carcasas posteriores con bandas de acero y otras técnicas de compresión. Las cintas e hilos también son compatibles con la soldadura, mediante el uso de aleaciones especiales.
El segundo problema es pasar de los prototipos a la producción. Los hilos, láminas y cintas CNT están disponibles en cantidades comerciales, pero persisten los desafíos en la producción en volumen de piezas largas necesarias para el cable. Las capacidades de producción de los proveedores de CNT están aumentando rápidamente, pero la cadena de suministro actual generalmente tiene largos plazos de entrega. En la actualidad, muchas aplicaciones, como las carcasas de materiales compuestos, utilizan CNT que se miden en micras o milímetros. Los cables representan una escala completamente diferente de esas aplicaciones que requieren decenas de metros.
Como TE trabaja con socios comerciales y universidades para mejorar la conductividad de los arreglos macroscópicos de CNT, también hemos fabricado mucho CNT, alambre y cable para pruebas y evaluación.
TE ha construido una planta piloto de CNT capaz de producir cientos de kilómetros de alambres y cables por año. La manipulación de CNT en forma de hilos y cintas hace que los procesos de fabricación de cables deban perfeccionarse para optimizar la producción y mejorar los rendimientos. TE ha desarrollado los refinamientos y puede suministrar muchos alambres y cables diferentes en longitudes largas.
¿Necesitas ayuda con tu proyecto aeroespacial?
Informe técnico
La tecnología de nanotubos de carbono puede llevar a una revolución en el cableado
La manipulación de CNT en forma de hilos y cintas hace que los procesos de fabricación de cables deban perfeccionarse para optimizar la producción y mejorar los rendimientos.
Revolución en el cableado
Mientras que la tecnología de nanotubos de carbono (CNT) ha generado un amplio interés para aplicaciones como la medicina, un área que es un foco de investigación en TE Connectivity (TE) son los cables eléctricos de alto rendimiento. TE ha estado desarrollando activamente CNT para alambre y cable, incluidos los esfuerzos de cooperación con universidades y líderes de la industria, y tiene muestras prototipo para su evaluación. Aunque todavía queda mucho por hacer antes de que los cables de CNT se conviertan en la corriente principal, creemos que la tecnología está lo suficientemente avanzada como para satisfacer aplicaciones específicas como los satélites.
Los cables que utilizan componentes CNT tienen el potencial de convertirse en una tecnología disruptiva, principalmente debido al ahorro de peso en comparación con los materiales existentes. En términos prácticos, estos ahorros significan reducciones de peso de decenas a miles de libras en plataformas que van desde satélites hasta vehículos aéreos no tripulados y aviones militares tripulados. Por ejemplo:
- Satélites: Los costos de lanzamiento para poner un satélite en órbita pueden variar de $5000 a $50,000 por libra de carga útil. Cualquier reducción en el peso puede influir significativamente en los costos o permitir un peso adicional para equipos científicos y de ingeniería adicionales o más combustible de maniobra para extender la vida útil de la misión.
- UAVs: Un menor peso significa tiempos más largos en el aire. Considere que el UAV grande contiene alrededor de 850 libras de cable. Usar una pantalla CNT en lugar de uno metálico podría ahorrar 300 libras. Un cable totalmente CNT podría ahorrar 100 libras adicionales, reduciendo el peso total de 850 a 450 libras.
- Aeronaves tripuladas: el ahorro de peso se traduce en una mayor eficiencia de combustible, mayores cargas útiles o mayor alcance.
Las ventajas del cable CNT van más allá de las aplicaciones aeroespaciales. El ahorro de peso también puede ser importante para los vehículos terrestres e incluso para el equipo usado por los soldados.
La gran relación de aspecto de un solo nanotubo de carbono, de unos pocos nanómetros de diámetro pero varios milímetros de longitud, le confiere propiedades notables en la nanoescala: Resistencia a la tracción mayor que la del acero, conductividad mayor que la del cobre, disipación térmica mayor que la del diamante y resistencia a la corrosión y la fatiga. La siguiente tabla muestra las propiedades típicas de un solo nanotubo de carbono.
| Fuerza mecánica | CNT | Acero | Aluminio |
|---|---|---|---|
| Módulo de Young (TPa) | De 0.8 a 1.4 | 0.3 | 0.7 |
| Resistencia a la tracción (GPa) | 63 | 2 | 0.3 |
| Densidad (g/cm3) | 1.4 | 8 | 2.7 |
Pantallas CNT
Los CNT se cultivan mediante procesamiento térmico y se organizan en hilos para conductores y en cintas, láminas e hilos para pantallas.
Agrupar hebras de CNT en hilos o láminas para lograr tamaños prácticos altera las propiedades del material. Un solo nanotubo de carbono tiene una conductividad treinta por ciento más alta que el cobre, pero un hilo compuesto por una red de CNT es órdenes de magnitud menos conductivo que el cobre. La figura a continuación muestra los esfuerzos recientes en la mejora de la conductividad del hilo CNT desde 2007.
Los cables CNT ahora se están desarrollando activamente para aplicaciones MIL-STD-1553B e IEEE 1394 para aplicaciones aeroespaciales y satelitales, con una transición de prototipos a producción en los próximos años. Los cables IEEE 1394 iniciales utilizarán blindaje CNT, mientras que los cables MIL-STD-1553B probablemente serán la primera construcción totalmente CNT.
Los blindajes basados en CNT combinan una alta efectividad de blindaje con un ahorro de peso significativo. Una cinta CNT de dos capas ofrece aproximadamente el mismo blindaje que una trenza de cobre a altas frecuencias, aproximadamente 50 dB a 4 GHz, pero pesa menos del 2 % de la trenza que reemplaza.
Sin embargo, la alta resistividad de los blindajes CNT significa un rendimiento de blindaje deficiente por debajo de 100 MHz y una incapacidad para proporcionar protección contra rayos. Para los cables de doble trenzado comunes en aplicaciones aeroespaciales, reemplazar una de las trenzas con CNT permite que la trenza restante maneje el ruido de baja frecuencia y los rayos, mientras que la pantalla de CNT maneja las frecuencias más altas. El ahorro de peso es del 25 al 30 % para las construcciones de pantalla híbridas.
¿Listo para el prime time?
A medida que se avanza hacia la habilitación del uso de materiales de CNT en los cables, otras dos cuestiones merecen mencionarse. El primero es cómo conectar los cables CNT. Los conductores CNT son compatibles con los contactos existentes y se pueden conectar con técnicas de remachado estándar, aunque con ajustes de herramientas de remache y matrices modificadas. Las pruebas de la resistencia mecánica de los remaches sugieren que los hilos CNT fallan antes que el remache. Los escudos se pueden conectar en carcasas posteriores con bandas de acero y otras técnicas de compresión. Las cintas e hilos también son compatibles con la soldadura, mediante el uso de aleaciones especiales.
El segundo problema es pasar de los prototipos a la producción. Los hilos, láminas y cintas CNT están disponibles en cantidades comerciales, pero persisten los desafíos en la producción en volumen de piezas largas necesarias para el cable. Las capacidades de producción de los proveedores de CNT están aumentando rápidamente, pero la cadena de suministro actual generalmente tiene largos plazos de entrega. En la actualidad, muchas aplicaciones, como las carcasas de materiales compuestos, utilizan CNT que se miden en micras o milímetros. Los cables representan una escala completamente diferente de esas aplicaciones que requieren decenas de metros.
Como TE trabaja con socios comerciales y universidades para mejorar la conductividad de los arreglos macroscópicos de CNT, también hemos fabricado mucho CNT, alambre y cable para pruebas y evaluación.
TE ha construido una planta piloto de CNT capaz de producir cientos de kilómetros de alambres y cables por año. La manipulación de CNT en forma de hilos y cintas hace que los procesos de fabricación de cables deban perfeccionarse para optimizar la producción y mejorar los rendimientos. TE ha desarrollado los refinamientos y puede suministrar muchos alambres y cables diferentes en longitudes largas.
