O peso, o custo e a raridade do cobre é um problema para os carros elétricos. O alumínio surge como uma alternativa de primeira linha. Agora bastante viável com um novo resultado de pesquisa de uma técnica de soldagem a frio denominada “técnica de extrusão e colagem de metais híbridos”.
Diminuir o peso dos carros sempre foi uma abordagem seguida pela indústria automotiva para alcançar uma maior economia de combustível, mas o problema é ainda mais crucial com os veículos elétricos.
Acontece que a eletrificação torna os veículos totalmente dependentes de fios – e fios são muito pesados.
“Historicamente, os condutores elétricos têm sido feitos de cobre, pela simples razão de que este metal tem excelente condutividade, conformabilidade e resistência,” comenta Jorgen Sorhaug, da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia. “Mas [o cobre] tem uma desvantagem: ele também é bem pesado. Portanto, a contribuição de peso do cobre em um veículo elétrico é significativa.”
Com essa alta densidade de massa, o cobre tornou-se um alvo de primeira linha para a substituição, e o alumínio surge como uma alternativa também de primeira linha.
“O alumínio é uma boa alternativa ao cobre, já que tem quase a mesma condutividade, boa conformabilidade e boa resistência quando ligas são adicionadas, ou seja, quando é misturado com outros elementos. O alumínio também é muito mais leve do que o cobre,” destacou Sorhaug.
Pesquisas anteriores apresentaram liga alumínio que reduz o uso de energia em 50 %
Engenheiros conseguiram reduzir pela metade a energia necessária para processar a liga de alumínio preferida pela indústria automotiva.
Veículos mais leves podem viajar mais longe gastando menos energia – seja combustível líquido ou baterias -, o que tem aumentado muito a demanda por componentes automotivos mais leves.
Soldagem a frio
Mas há um problema: O alumínio puro é mecanicamente muito mais fraco do que o cobre, o que é uma desvantagem na indústria automotiva porque os carros exigem fiações com curvaturas acentuadas e submetem tudo a vibrações constantes, o que deixa o material ainda mais sujeito à fadiga.
É possível aumentar a resistência do alumínio fazendo ligas. Doses precisas de outros metais são adicionadas ao elemento principal, os chamados elementos de liga. Além disso, a liga pode ser tratada termomecanicamente – ela é laminada ou moldada de outra forma antes de ser tratada termicamente.
“Mas as ligas de alumínio são frequentemente sensíveis a altas temperaturas, e sua resistência geralmente será enfraquecida pela soldagem. Portanto, também investigamos o que causa essa redução de resistência no nível atômico e como podemos melhorar as ligas para suportar melhor o calor,” contou Sorhaug.
Para enfrentar esse dilema, o pesquisador constatou que o melhor caminho é substituir por alumínio apenas uma parte dos fios de cobre, criando condutores elétricos híbridos de cobre e alumínio. E, como a soldagem tradicional gera problemas, ele partiu para a soldagem a frio.
Colagem de metais híbridos
Os processos tradicionais de soldagem acabavam criando domínios quebradiços, conhecidos como fases intermetálicas, piorando a condutividade dos fios.
Sorhaug então partiu para uma solução doméstica, criada na própria universidade, que eles chamam de “técnica de extrusão e colagem de metais híbridos”.
O fio de alumínio é processado por meio de uma extrusora especialmente projetada, que cumpre um papel duplo: Fornecer pressão suficiente para que ocorra a ligação metálica e dispersar óxidos presentes tanto no alumínio quanto no cobre, para evitar prejuízos à condutividade.
“Descobrimos que esta técnica é mais adequada para unir alumínio e cobre do que outras técnicas de soldagem a frio. Camadas intermetálicas finas e de crescimento lento se formam na interface entre os metais. Isso é benéfico porque ajuda a evitar que as propriedades mecânicas e elétricas desses condutores se alterem,” disse Sorhaug.
A equipe agora está trabalhando para otimizar o processo e obter melhores resultados na condutividade dos fios híbridos, já com vistas à comercialização da tecnologia.
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A reprodução de matérias é livre mediante a citação do título do texto com link apontando para este texto. Crédito do site Nature & Space
CARROS ELÉTRICOS: ALUMÍNIO REDUZ CUSTO E AMPLIA AUTONOMIA
Artigo: Electrical and thermal stability of Al-Cu welds: Performance benchmarking of the hybrid metal extrusion and bonding process
Autores: Aksel Elkjaer, Jorgen A. Sorhaug, Geir Ringen, Ruben Bjorge, Oystein Grong
Revista: Journal of Manufacturing Processes
Vol.: 240, 2024, 112867
DOI: 10.1016/j.jmapro.2022.04.029
Artigo: Al-Cu intermetallic phase growth in hybrid metal extrusion & bonding welds exposed to isothermal annealing or direct current cycling
Autores: Jorgen A. Sorhaug, Aksel Elkjaer, Elisabeth Thronsen, Tina Bergh, Oystein Grong, Per Erik Vullum, Randi Holmestad
Revista: Materials & Design
DOI: 10.1016/j.matdes.2024.112867
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Melhorar autonomia dos veículos elétricos exigirá mesclar cobre com alumínio
