علوم المواد
أبحاث جديدة تُظهر طريقة لبناء مواد فعّالة لإدارة حرارية متفوقة
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
غالبًا ما نتعرف على المواد بناءً على خصائصها. ومع ذلك، فإن التقدم الذي تم تحقيقه في علم المواد والهندسة جعل من الممكن إنتاج مواد تجمع بين خصائص غير عادية، والتي غالبًا ما تكون في تناقض حاد مع بعضها البعض.
في مثال حديث، أظهر فريق من الباحثين إمكانية تصنيع مواد هندسية تكون قوية وقادرة على توفير العزل عند تعرضها للحرارة.
وفقًا لـ Jun Liu، المؤلف المشارك للورقة البحثية وأستاذ مشارك في الهندسة الميكانيكية والفضائية بجامعة ولاية كارولينا الشمالية، قال ما يلي عن تفرد الاكتشاف والمادة:
“لقد اكتشفنا الآن مجموعة من المواد التي تكون قوية وعوازل حرارية ممتازة. علاوة على ذلك، يمكننا هندسة المواد حسب الحاجة للتحكم في مدى صلابتها وموصليتها الحرارية.”
عادةً ما يُلاحظ أن المواد ذات معامل المرونة العالي، وهو خاصية تظهر من خلال زيادة الصلابة، ليست عازلة. بل على العكس، فهي موصلة حرارية عالية.
ولكن ماذا لو كنا بحاجة إلى مواد تعمل كعوازل جيدة دون فقدان صلابتها؟ ستفيد هذه المواد في سيناريوهات إنشاء طبقات عزل حراري لحماية الإلكترونيات من درجات الحرارة العالية.
عند الغوص أعمق في المادة والبحث أكثر عن الدراسة، يتبين أن المواد التي عمل عليها الباحثون هي جزء من البيروفسكايتات الهجينة العضوية-غير العضوية ثنائية الأبعاد (2D HOIP). تتكون هذه المواد من أفلام رقيقة تتضمن ‘طبقات عضوية وغير عضوية متناوبة في بنية بلورية مرتبة للغاية’. ما يضيف إلى قيمتها هو إمكانية تعديل تركيبة الطبقة العضوية أو غير العضوية.
تشمل العملية استبدال سلاسل الكربون-كربون في الطبقات العضوية لهذه المواد بحلقات البنزين. يؤدي ذلك إلى إمكانية التحكم أو تنظيم معامل المرونة والموصلية الحرارية.
ساعدت الأبحاث الفريق على ابتكار ما لا يقل عن ثلاث مواد 2D HOIP متميزة أصبحت أقل موصلية حرارية كلما زادت صلابتها.
إلى جانب تصنيع مواد صلبة وعازلة في آن واحد، ساعدت الأبحاث أيضًا على إدخال التشابك (التماثل) إلى الطبقات العضوية، مما يعني أن الصلابة والموصلية الحرارية يمكن الحفاظ عليهما دون الحاجة إلى إجراء تغييرات جوهرية في تركيبة الطبقات العضوية. قد يضمن التقدم المستقبلي في هذا الجانب إمكانية تحسين خصائص أخرى لهذه المواد دون القلق بشأن تأثير هذه التغييرات على صلابة المادة أو موصليتها الحرارية.
عند تقييم إمكانات تطبيق هذه المواد على الأرض، يمكن للعديد من الشركات الاستفادة من هذه الأبحاث. تمتلك هذه الشركات موارد البحث والتطوير اللازمة للمضي قدمًا في هذه الأبحاث، وتجربتها على نطاق أوسع، ودمج فوائدها في خط منتجاتها الحالي أو إنشاء خط منتجات جديد تمامًا. في الفقرات التالية، نناقش بعض هذه الشركات ونستعرض طرق اعتمادها لهذه الابتكارات.
#1. Owens Corning
تشمل مجموعة منتجات Foamular من Owens Corning (OC ) عزلًا من البوليسترين المبثوق عالي الأداء. يتكون الفوم المبثوق من خلايا مغلقة ويوفر سطحًا أكثر خشونة، صلابة أعلى، وتقليل في الموصلية الحرارية.
يقدم البوليسترين المبثوق عالي الأداء عزلًا من خلال منتج يتميز بالمتانة، والمرونة، والقدرة على التحمل، وهو مفيد لمجموعة واسعة من الاستخدامات في الهندسة المعمارية والهندسة والبناء. بالإضافة إلى خصائصه العازلة، فإن المواد مقاومة أيضًا للرطوبة.
Owens Corning لديها عملية تصنيع مملوكة تُسمى Hydrovac تُصنّع هذه الحلول. توفر العملية بنية خلايا مغلقة متسقة، خالية من الفراغات، مما يمنع الرطوبة مع تحقيق قيمة R تبلغ 5 لكل بوصة من السماكة. في سياق العزل، تُعد قيمة R مقياسًا لمدى قدرة عزل المبنى على منع تدفق الحرارة داخل وخارج المنزل. كلما ارتفعت قيمة R، زادت أداء منتج العزل.
يتراوح مقاومة الضغط للمنتج بين 15 إلى 100 رطل لكل بوصة مربعة ويتم تصنيعه وفقًا لمواصفة ASTM C5781. يمكن أن يكون الخيار المثالي في تجميعات أغشية السقف المحمية (PRMA) للأسطح الخضراء، التي يمكنها تحمل التربة الرطبة والأحمال. بالإضافة إلى ذلك، فهو خفيف الوزن، سهل التعامل، ومتوافق مع أغلب أغطية وتشطيبات الواجهة الخارجية. لا يقتصر المنتج على توفير مقاومة للماء تصل إلى 13 مرة أكثر من العزل التقليدي من EPS فحسب، بل يحتفظ أيضًا بحد أدنى 90٪ من قيمة R على مدى 20 عامًا.
قد توفر الأبحاث حول البيروفسكايتات الهجينة العضوية-غير العضوية (2D HOIP) التي ناقشناها في الفقرة السابقة فرصًا جديدة لشركة Owens Corning لتعزيز ريادتها في هذا المجال.
OC مخطط السعر
تأسست في عام 1938 ومقرها في توليدو، أوهايو، سجلت Owens Corning مبيعات صافية بقيمة 9.7 مليار دولار في عام 2023.
#2. Gore
أثناء مناقشة البحث حول 2D HOIP، لاحظنا أن هذه المواد لديها القدرة على توفير عزل حراري للمواد الإلكترونية. ستستفيد شركة Gore، المتخصصة في العزل الحراري للأجهزة المحمولة، من هذه المواد والبحث.
Gore Thermal Insulation هو حل متقدم لإدارة الحرارة يتميز بموصلية أقل من الهواء. يمكنه زيادة مرونة التصميم وقدرة المصمم على توجيه الحرارة من خلال تحسين التحكم في موصلية الحرارة على المحور z. تحسين التحكم في المحور z يعني خيارات انتشار متفوقة تساعد المكونات على الأداء بمستويات أعلى لفترات أطول، وتلائم تقليل حجم الأشكال، وتلبي متطلبات درجة حرارة السطح.
إلى جانب خصائص العزل الحراري المتطورة، يتمتع حل Gore بمزايا أداء أخرى، بما في ذلك سهولة التكامل ووجود فريق من المهندسين يدعم إرشادات التصميم وتكامل النمذجة من مرحلة التصميم المبكرة حتى مرحلة التسويق.
تأسست بواسطة بيل وفيف جور في عام 1959 ومقرها في نيوارك، ديلاوير، الولايات المتحدة، تحقق Gore إيرادات سنوية قدرها 4.8 مليار دولار أمريكي.
أبحاث إضافية حول الديناميكيات بين طبيعة المواد وموصليتها الحرارية
يتمتع العزل بمدى واسع من إمكانات التطبيق. في النهاية، تتطلب معظم المساحات والمواد في حياتنا اليومية حماية من الحرارة. من الطبيعي أن لا تتناسب جميع أنواع المواد مع كل سيناريو تطبيق.
البحث حول أداء العزل الحراري وتأثيره على جودة الهواء الداخلي للمواد العازلة الحرارية القائمة على السليلوز استكشف عوامل مختلفة تؤثر على الموصلية الحرارية. شملت هذه العوامل نوع المادة الخام المستخدمة، عمليات التصنيع، الكثافة، محتوى الرطوبة، ودرجة حرارة بيئة الاختبار.
كما أشار البحث إلى بعض الارتباطات التي قد تكون ضرورية في تطوير مواد ذات خصائص عزل فائقة وفريدة. على سبيل المثال، لاحظ البحث أن الرطوبة تؤثر سلبًا على الأداء الحراري. وعلى العكس، يؤدي زيادة الكثافة، التي تتحقق من خلال ضغط المادة، إلى تقليل الموصلية الحرارية، خاصةً للمواد التي تحتوي على فجوات هوائية موزعة بشكل موحد.
تعمق البحث أكثر ليُدرج تركيبات منتجات محددة كان أداؤها الحراري هو الأفضل عند كثافتها الطبيعية. أحد المنتجات احتوى على أستات سليلوز، مرشحات سجائر مستعملة، ورق سجائر مستعمل، وورق ألومنيوم مستعمل. آخر احتوى على أوراق نفايات فقط.
عند الحديث عن سعة الامتصاص، كان من الواضح أن تعزيز الامتصاص يمكن ملاحظته في حالة مادة العزل الحراري المصنوعة من ألياف الخشب وتلك المصنوعة من السليلوز المستخرج من كرتون النفايات، ومعالجة ضعيفة، ومنتجات غير متجانسة.
اعتُبر البحث مفيدًا حيث حلل مواد العزل الحراري المصنوعة من نفايات الزراعة والصناعة المعاد تدويرها. هذه المواد، التي تتواجد غالبًا في مواد البناء، لا تزال غير مطورة بشكل كاف.
كان البحث الذي أثار مناقشتنا الحالية يهدف إلى حماية السلع الإلكترونية من الحرارة. هناك أيضًا أمثلة على أبحاث أجريت في هذا المجال. على سبيل المثال، نفذ فريق من الباحثين من جامعة شيان جياتونغ، شيان، الصين، دراسة تجريبية حول الحماية الحرارية النشطة للأجهزة الإلكترونية المستخدمة في استكشاف بيئات الحفر العميقة. في الفقرة التالية، سنغوص أعمق في تلك الأبحاث ونتائجها.
انقر هنا لتتعرف على الخرسانة ذاتية التسخين التي قد تساعد طرقنا، طبقات المياه الجوفية، ومحافظنا.
الحماية الحرارية النشطة للأجهزة الإلكترونية المستخدمة في استكشاف بيئات الحفر العميقة
لنبدأ بتعريف ما هو استكشاف بيئات الحفر العميقة. إنه أحد أهم مجالات تطبيق الأجهزة الإلكترونية حيث تُستخدم الأجهزة لاستخراج النفط الصخري. تنشأ التحديات من كونه منطقة ذات درجات حرارة عالية وضغط مرتفع. يمكن أن تكون الظروف الحرارية في هذه المناطق شديدة لدرجة قد تهدد التشغيل الآمن للمكونات الإلكترونية. في هذه الحالة، درس الباحثون نظام عزل حراري نشط يتألف من صفيحة تبريد حلزونية حلقية (ACP)، وحاوية تخزين حراري تحتوي على مادة تغير طور (PCM)، وحصيرة أيروجيل (AM).
قامت الفريق بقياس تأثير بنية صفيحة ACP، وتوزيعها، ومعدل تدفق وسط العمل على أداء الحماية الحرارية تجريبيًا. يشير الأداء إلى معلمين: قدرة التحكم في درجة الحرارة ومدة تشغيل النظام.
وجد البحث أن طبقة حصيرة الأيروجيل ضرورية وأن حالة ACP الداخلية أظهرت أداءً أفضل في الحماية الحرارية. كما اقترحت الدراسة صفيحة تبريد حلقية (ACP) بتدفق حلزوني للحماية الحرارية الهجينة مع مادة عزل للاستخدام في بيئات الحفر العميقة.
دراسة أخرى، أجريت في عام 2022 ونُشرت في مجلة Nature، استكشفت ركائز حرارية ناعمة وقابلة للتمدد للأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء.
ركائز حرارية ناعمة وقابلة للتمدد للأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء
العديد من التطبيقات الطبية اليوم تعتمد على الاستخدام الفعّال للأجهزة القابلة للارتداء. من هذا المنطلق، تتطلب هذه المنتجات معالجة دقيقة. ومع ذلك، قد ترتفع درجة حرارة هذه الأجهزة أثناء الاستخدام، مما يسبب عدم ارتياح حراري أو ضررًا للجلد. بحث فريق من الباحثين عن مواد وهياكل يمكنها توفير حماية حرارية متقدمة.
أبلغوا عن ركيزة حرارية ناعمة وقابلة للتمدد تتميز بتصميم مركب. تتكون من مادة بولي ديميثيل سيليكون الشهيرة مع كرات ميكروية ماصة للحرارة، تتضمن مواد تغير طور مغلفة داخل غلاف الراتنج.
كانت النتائج واعدة حيث يمكن تعريض الركيزة لتشوهات معقدة تصل إلى 150٪ ويمكنها خفض الارتفاع الأقصى لدرجة حرارة الجلد بنسبة 82٪ أو أكثر تحت التحسينات.
مادة تحسن أداء النظام في الحالة المستقرة في هاتف Google Pixel 3XL تحت إجهاد حراري
مثال آخر مثير لاختيار مادة عزل حراري مناسبة شمل استخدام رقائق الجرافيت ذات قدرة انتشار فائقة عالية وأوراق عزل ذات موصلية حرارية منخفضة للغاية. تم تطبيقها على هاتف Google Pixel 3XL المعدل لتقليل درجات حرارة اللمس (الجلد) على السطح.
تم تنفيذ النشر لتقليل تأثير درجة حرارة تقاطع الجهاز مقارنةً بحلول العزل المستقلة مثل الهواء أو الجرافيت، مع تحسين أداء نظام الجهاز في الحالة المستقرة. تم تصنيع أربعة حلول حرارية فريدة بسمك مماثل (~350 µm) للتجربة. بعد ذلك، خضعت هذه الحلول لاختبار إجهاد حراري في الهاتف عبر 3DMark—Sling Shot Extreme.
كانت النتائج واعدة. انخفضت درجات حرارة اللمس في الحالة المستقرة بما يصل إلى 3.2°C مع زيادة أقل من 1°C في أقصى درجة حرارة تقاطع (TJ) مقارنةً بحلول عزل حراري مكوّن واحد من الجرافيت أو العزل أو الهواء.
استنتج البحث أن مركبات العزل-الجرافيت عالية الأداء يمكن أن تقدم فائدة كبيرة في تمكين بنى إلكترونية محمولة عالية الطاقة ورقيقة. ومع ذلك، قد تختلف تكوينات التصميم المثلى، حيث قد تواجه كل نظام إلكتروني محمول تحديات حرارية فريدة بسبب تنوع طاقة النظام والمساحة المتاحة.
بشكل عام، يُعد حفظ الحرارة ممارسة ذات إمكانات هائلة لمساعدتنا في تحقيق نماذج الاستدامة التي نرغب فيها لمستقبل أكثر خضرة. أي بحث حول العزل الفعّال أو إدارة الحرارة هو في جوهره بحث حول المواد، يستكشف خصائصها الفريدة ويُحسّنها حسب الحاجة. تُظهر الاتجاهات البحثية الحالية أن هناك عملًا كافيًا يُجرى بالفعل في هذا الاتجاه. وستت intensify الجهود في الأيام القادمة.
انقر هنا لتتعرف على بلاط الأسطح المتكيف الذي قد يكون مفتاحًا لتقليل استهلاك الطاقة للتدفئة والتبريد.
