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Como substituir cobre por alumínio

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."

Reduzir a quantidade de fios de cobre nos carros elétricos irá aumentar a durabilidade da bateria e, por decorrência, a autonomia do veículo.
[Imagem: Gerado por IA/Gemini]

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.

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.

• Como tornar o alumínio tão eletricamente condutor quanto o cobre

Visão esquemática do processo de soldagem a frio desenvolvido pela equipe.
[Imagem: Jorgen A. Sorhaug et al. - 10.1016/j.matdes.2024.112867]

Soldagem a frio

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.

• Liga de alumínio automotivo é feita com 50% menos energia

É essencial eliminar defeitos cristalinos microscópicos, que podem atrapalhar a condutividade.
[Imagem: Jorgen A. Sorhaug et al. - 10.1016/j.matdes.2024.112867]

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.

• Desvendado segredo de metais mais fortes - com aplicação imediata