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Tecnologia de nanotubo de carbono pode levar à Revolução no Cabeamento
O manuseio de CNTs na forma de fios e fitas significa que os processos de fabricação para construir cabos precisam de refinamento para otimizar o rendimento e melhorar a produção.
Revolução em Cabeamento
Embora a tecnologia de nanotubos de carbono (CNT) tenha gerado interesse generalizado, uma área que é foco de pesquisa na TE Connectivity são cabos elétricos de alto desempenho. A TE vem desenvolvendo ativamente a CNT para fios e cabos, incluindo esforços cooperativos com universidades e líderes do setor, e possui amostras de protótipos para avaliação. Embora ainda haja muito progresso a ser feito antes que os cabos CNT se tornem o principal fluxo, acreditamos que a tecnologia é suficientemente avançada para atender a aplicações específicas de nicho, como satélites.
Os cabos que usam componentes CNT têm o potencial de se tornar uma tecnologia disruptiva, principalmente devido à economia de peso em comparação com os materiais existentes. Em termos práticos, essas economias significam reduções de peso de dezenas a milhares de libras em plataformas que vão de satélites a UAVs a aeronaves militares tripuladas. Por exemplo:
- Satélites: Os custos de lançamento para colocar um satélite em órbita podem variar de 5.000 a 50.000 por quilo de carga útil. Qualquer redução de peso pode influenciar significativamente os custos ou permitir peso extra para equipamentos científicos e de engenharia adicionais ou mais combustível de manobra para prolongar a vida útil da missão.
- UAVs: Menor peso significa mais tempo no alto. Considere que o UAV grande contém cerca de 850 libras de cabo. Usar uma blindagem CNT no lugar de uma metálica poderia economizar 300 libras. Um cabo totalmente CNT pode economizar mais 100 libras, reduzindo o peso total de 850 para 450 libras.
- Aeronaves tripuladas: A economia de peso se traduz em maior eficiência de combustível ou cargas mais altas ou maior alcance.
Os benefícios do cabo CNT vão além das aplicações aeroespaciais. A economia de peso também pode ser importante para veículos terrestres e até mesmo equipamentos usados por soldados.
A longa proporção de um único nanotubo de carbono, apenas alguns nanômetros de diâmetro, mas vários milímetros de comprimento, dá-lhe propriedades notáveis na nanoescala: resistência à tração maior que a do aço, condutividade maior que a do cobre, dissipação térmica maior que a do diamante, e resistência à corrosão e fadiga. A tabela abaixo dá propriedades típicas de um único nanotubo de carbono.
| Resistência mecânica | CNT | Aço | Alumínio |
|---|---|---|---|
| Módulo de Young (TPa) | 0,8 a 1,4 | 0.3 | 0.7 |
| Resistência à tração (GPa) | 63 | 2 | 0.3 |
| Densidade (g/cm3) | 1.4 | 8 | 2.7 |
Blindagens CNT
As CNTs são cultivadas pelo processamento térmico e dispostas em fios para condutores e em fitas, folhas e fios para blindagens.
Agrupar filamentos CNT em fios ou folhas para alcançar tamanhos práticos altera as propriedades do material. Um único nanotubo de carbono tem uma condutividade trinta por cento maior que o cobre, mas um fio composto por uma rede de CNTs é ordens de magnitude menos condutora que o cobre. A figura abaixo mostra os esforços recentes na melhoria da condutividade dos fios CNT desde 2007.
Os cabos CNT estão sendo desenvolvidos ativamente para aplicações MIL-STD-1553B e IEEE 1394 para aplicações aeroespaciais e satélites — com uma transição de protótipos para produção acontecendo nos próximos anos. Os cabos IEEE 1394 iniciais usarão blindagem CNT, enquanto os cabos MIL -STD-1553B provavelmente serão a primeira construção totalmente CNT.
Os escudos baseados em CNT combinam alta eficácia de blindagem com economias significativas de peso. Uma fita CNT de duas camadas oferece aproximadamente a mesma blindagem de uma trança de cobre em altas frequências — cerca de 50 dB a 4 GHz — mas pesa menos de 2% da trança que ela substitui.
A alta resistividade de blindagens CNT, no entanto, significa baixo desempenho de blindagem abaixo de 100 MHz e uma incapacidade de fornecer proteção contra raios. Para os cabos de dupla trança comuns em aplicações aeroespaciais, a substituição de uma das tranças por CNT permite que a trança restante manuseie ruídos e raios de baixa frequência, enquanto a blindagem CNT lida com as frequências mais altas. A economia de peso é de 25 a 30% para construções de blindagens híbridas.
Pronto para o horário nobre?
À medida que se avança no sentido de permitir o uso de materiais CNT em cabos, duas outras questões merecem ser mencionadas. A primeira é como fazer a terminação dos cabos CNT. Os condutores CNT são compatíveis com os contatos existentes e podem ser terminados com técnicas padrão de crimpagem, embora com configurações de ferramentas de crimpagem e mordentes modificados. O teste da resistência mecânica de crimpagem sugere que há falhas nos fios CNT antes de ocorrer falha na crimpagem. As blindagens podem ser terminadas nos backshells com bandas de aço e outras técnicas de compressão. Fitas e fios também são compatíveis com solda, através do uso de ligas especiais.
A segunda questão é passar de protótipos para a produção. Fios, folhas e fitas CNT estão disponíveis em quantidades comerciais, mas os desafios permanecem na produção de volume de peças longas necessárias para o cabo. As capacidades de produção dos fornecedores de CNT estão aumentando rapidamente, mas a cadeia de suprimentos hoje normalmente tem longos prazos de entrega. Muitas aplicações atualmente — como gabinetes compostos — usam CNTs medidos em mícrons ou milímetros. Os cabos representam uma escala completamente diferente dessas aplicações, exigindo dezenas de metros.
Como a TE trabalha com parceiros comerciais e universitários para melhorar a condutividade dos arranjos macroscópicos de CNT, também fabricamos milhas de CNT, fio e cabo para testes e avaliação.
A TE construiu uma planta piloto de CNT para produtos de centenas de milhas de fios e cabos por ano. O manuseio de CNTs na forma de fios e fitas significa que os processos de fabricação para construir cabos precisam de refinamento para otimizar o rendimento e melhorar a produção. A TE está desenvolvendo os refinamentos e pode fornecer muitos fios e cabos diferentes em comprimentos longos.
Precisa de ajuda com seu projeto aeroespacial?
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Tecnologia de nanotubo de carbono pode levar à Revolução no Cabeamento
O manuseio de CNTs na forma de fios e fitas significa que os processos de fabricação para construir cabos precisam de refinamento para otimizar o rendimento e melhorar a produção.
Revolução em Cabeamento
Embora a tecnologia de nanotubos de carbono (CNT) tenha gerado interesse generalizado, uma área que é foco de pesquisa na TE Connectivity são cabos elétricos de alto desempenho. A TE vem desenvolvendo ativamente a CNT para fios e cabos, incluindo esforços cooperativos com universidades e líderes do setor, e possui amostras de protótipos para avaliação. Embora ainda haja muito progresso a ser feito antes que os cabos CNT se tornem o principal fluxo, acreditamos que a tecnologia é suficientemente avançada para atender a aplicações específicas de nicho, como satélites.
Os cabos que usam componentes CNT têm o potencial de se tornar uma tecnologia disruptiva, principalmente devido à economia de peso em comparação com os materiais existentes. Em termos práticos, essas economias significam reduções de peso de dezenas a milhares de libras em plataformas que vão de satélites a UAVs a aeronaves militares tripuladas. Por exemplo:
- Satélites: Os custos de lançamento para colocar um satélite em órbita podem variar de 5.000 a 50.000 por quilo de carga útil. Qualquer redução de peso pode influenciar significativamente os custos ou permitir peso extra para equipamentos científicos e de engenharia adicionais ou mais combustível de manobra para prolongar a vida útil da missão.
- UAVs: Menor peso significa mais tempo no alto. Considere que o UAV grande contém cerca de 850 libras de cabo. Usar uma blindagem CNT no lugar de uma metálica poderia economizar 300 libras. Um cabo totalmente CNT pode economizar mais 100 libras, reduzindo o peso total de 850 para 450 libras.
- Aeronaves tripuladas: A economia de peso se traduz em maior eficiência de combustível ou cargas mais altas ou maior alcance.
Os benefícios do cabo CNT vão além das aplicações aeroespaciais. A economia de peso também pode ser importante para veículos terrestres e até mesmo equipamentos usados por soldados.
A longa proporção de um único nanotubo de carbono, apenas alguns nanômetros de diâmetro, mas vários milímetros de comprimento, dá-lhe propriedades notáveis na nanoescala: resistência à tração maior que a do aço, condutividade maior que a do cobre, dissipação térmica maior que a do diamante, e resistência à corrosão e fadiga. A tabela abaixo dá propriedades típicas de um único nanotubo de carbono.
| Resistência mecânica | CNT | Aço | Alumínio |
|---|---|---|---|
| Módulo de Young (TPa) | 0,8 a 1,4 | 0.3 | 0.7 |
| Resistência à tração (GPa) | 63 | 2 | 0.3 |
| Densidade (g/cm3) | 1.4 | 8 | 2.7 |
Blindagens CNT
As CNTs são cultivadas pelo processamento térmico e dispostas em fios para condutores e em fitas, folhas e fios para blindagens.
Agrupar filamentos CNT em fios ou folhas para alcançar tamanhos práticos altera as propriedades do material. Um único nanotubo de carbono tem uma condutividade trinta por cento maior que o cobre, mas um fio composto por uma rede de CNTs é ordens de magnitude menos condutora que o cobre. A figura abaixo mostra os esforços recentes na melhoria da condutividade dos fios CNT desde 2007.
Os cabos CNT estão sendo desenvolvidos ativamente para aplicações MIL-STD-1553B e IEEE 1394 para aplicações aeroespaciais e satélites — com uma transição de protótipos para produção acontecendo nos próximos anos. Os cabos IEEE 1394 iniciais usarão blindagem CNT, enquanto os cabos MIL -STD-1553B provavelmente serão a primeira construção totalmente CNT.
Os escudos baseados em CNT combinam alta eficácia de blindagem com economias significativas de peso. Uma fita CNT de duas camadas oferece aproximadamente a mesma blindagem de uma trança de cobre em altas frequências — cerca de 50 dB a 4 GHz — mas pesa menos de 2% da trança que ela substitui.
A alta resistividade de blindagens CNT, no entanto, significa baixo desempenho de blindagem abaixo de 100 MHz e uma incapacidade de fornecer proteção contra raios. Para os cabos de dupla trança comuns em aplicações aeroespaciais, a substituição de uma das tranças por CNT permite que a trança restante manuseie ruídos e raios de baixa frequência, enquanto a blindagem CNT lida com as frequências mais altas. A economia de peso é de 25 a 30% para construções de blindagens híbridas.
Pronto para o horário nobre?
À medida que se avança no sentido de permitir o uso de materiais CNT em cabos, duas outras questões merecem ser mencionadas. A primeira é como fazer a terminação dos cabos CNT. Os condutores CNT são compatíveis com os contatos existentes e podem ser terminados com técnicas padrão de crimpagem, embora com configurações de ferramentas de crimpagem e mordentes modificados. O teste da resistência mecânica de crimpagem sugere que há falhas nos fios CNT antes de ocorrer falha na crimpagem. As blindagens podem ser terminadas nos backshells com bandas de aço e outras técnicas de compressão. Fitas e fios também são compatíveis com solda, através do uso de ligas especiais.
A segunda questão é passar de protótipos para a produção. Fios, folhas e fitas CNT estão disponíveis em quantidades comerciais, mas os desafios permanecem na produção de volume de peças longas necessárias para o cabo. As capacidades de produção dos fornecedores de CNT estão aumentando rapidamente, mas a cadeia de suprimentos hoje normalmente tem longos prazos de entrega. Muitas aplicações atualmente — como gabinetes compostos — usam CNTs medidos em mícrons ou milímetros. Os cabos representam uma escala completamente diferente dessas aplicações, exigindo dezenas de metros.
Como a TE trabalha com parceiros comerciais e universitários para melhorar a condutividade dos arranjos macroscópicos de CNT, também fabricamos milhas de CNT, fio e cabo para testes e avaliação.
A TE construiu uma planta piloto de CNT para produtos de centenas de milhas de fios e cabos por ano. O manuseio de CNTs na forma de fios e fitas significa que os processos de fabricação para construir cabos precisam de refinamento para otimizar o rendimento e melhorar a produção. A TE está desenvolvendo os refinamentos e pode fornecer muitos fios e cabos diferentes em comprimentos longos.
