Materialevidenskab
Ny forskning viser, hvordan man kan fremstille effektive materialer til overlegen termisk styring
Vi genkender ofte materialer ud fra deres egenskaber. Men de fremskridt, der er opnået inden for materialvidenskab og -ingeniørkunst, har gjort det muligt at fremstille materialer, der kombinerer usædvanlige egenskaber, som ofte er i skarp kontrast til hinanden.
I et nyligt eksempel demonstrerede et hold af forskere muligheden for konstruerede materialer, der er både stive og i stand til at tilbyde isolering egenskaber, når de udsættes for varme.
Ifølge Jun Liu, med‑korresponderende forfatter af en artikel om arbejdet og lektor i maskin‑ og rumfartsingeniørkunst ved North Carolina State University havde følgende at sige om opdagelsens unikhed og materialet:
“Vi har nu opdaget en række materialer, der både er stive og fremragende termiske isolatorer. Desuden kan vi konstruere materialerne efter behov for at kontrollere, hvor stive og termisk ledende de er.”
Normalt finder man, at materialer med høj elastisk modul, en egenskab der manifesterer sig gennem øget stivhed, ikke er isolerende. De er tværtimod meget termisk ledende.
Men hvad hvis vi har brug for materialer, der fungerer som gode isolatorer uden at miste deres stivhed? Sådanne materialer vil være nyttige i scenarier, hvor der skal laves termiske isoleringsbelægninger for at beskytte elektronik mod høje temperaturer.
Når vi dykker dybere ned i materialet og undersøger forskningen nærmere, viser det sig, at de materialer, forskerne arbejdede med, er en undergruppe af de to‑dimensionale hybride organisk‑inorganiske perovskitter (2D HOIP). Disse materialer består af tynde film med ‘alternerende organiske og uorganiske lag i en højt ordnet krystallinsk struktur.’ Det, der øger deres værdi, er, at det er muligt at finjustere sammensætningen af enten det uorganiske eller det organiske lag.
Processen involverer udskiftning af carbon‑carbon‑kæderne i de organiske lag med benzenringe. Dette fører til en situation, hvor det er muligt at kontrollere eller regulere den elastiske modul og den termiske ledningsevne.
Forskningen hjalp holdet med at komme frem til mindst tre distinkte 2D HOIP‑materialer, som blev mindre termisk ledende, jo stivere de blev.
Ud over at fremstille stive, men isolerende materialer, har forskningen også introduceret chiralisme i de organiske lag, hvilket betyder, at den samme stivhed og termiske ledningsevne kan opretholdes uden at skulle foretage væsentlige ændringer i sammensætningen af de organiske lag. Yderligere fremskridt på dette område kan sikre muligheden for at optimere andre egenskaber ved disse materialer uden at bekymre sig om påvirkningen af ændringerne på materialets stivhed eller termiske ledningsevne.
Når det gælder vurderingen af den praktiske anvendelsespotentiale for disse materialer, kan mange virksomheder drage fordel af denne forskning. Disse virksomheder har R&D‑ressourcer til at videreudvikle forskningen, afprøve den i større skala og integrere fordelene i deres eksisterende produktlinje eller skabe en helt ny produktlinje. I de følgende afsnit diskuterer vi et par sådanne virksomheder og ser på, hvordan de kan adoptere denne innovation.
#1. Owens Corning
Owens Corning’s Foamular‑serie af produkter omfatter højtydende ekstruderet polystyrenisolering. Ekstruderet polystyren‑skum består af lukkede celler og giver forbedret overfladeråhed, højere stivhed og reduceret termisk ledningsevne.
Den højtydende ekstruderede polystyren tilbyder isolering gennem et produkt, der er holdbart, alsidigt og robust og er nyttigt i en række anvendelser inden for arkitektur, ingeniørkunst og byggeri. Ud over sine isolerende egenskaber er materialerne også fugtmodstående.
Owens Corning har en proprietær fremstillingsproces navngivet Hydrovac, som fremstiller disse løsninger. Processen giver en ensartet lukkecelle‑struktur, fri for hulrum, som holder fugt ude, samtidig med at den leverer en R‑værdi på 5 pr. tomme tykkelse. I isolationssammenhæng er R‑værdien et mål for, hvor godt en bygningsisolering kan forhindre varmeudveksling ind og ud af huset. Jo højere R‑værdi, desto bedre er isoleringsproduktets ydeevne.
Produktet har kompressionsstyrker fra 15 til 100 psi og fremstilles i overensstemmelse med ASTM C5781. Det kan være det ideelle valg i Protected Roof Membrane Assemblies (PRMA) for vegetative tage, som kan modstå våde jordarter og belastninger. Derudover er det let, nemt at håndtere og kompatibelt med almindelige ydre beklædninger og overfladebehandlinger. Ikke kun tilbyder produktet op til 13 gange større vandmodstand end konventionel EPS‑isolering, men det bevarer også mindst 90 % af R‑værdien over 20 år.
Forskningen i de hybride organisk‑inorganiske perovskitter (2D HOIP), som vi diskuterede i det foregående afsnit, kan give Owens Corning nye muligheder for at styrke sin førende position inden for dette område.
(OC )
Grundlagt i 1938 og med hovedkontor i Toledo, Ohio, registrerede Owens Corning en nettoomsætning på $9,7 milliarder i 2023.
#2. Gore
Mens vi diskuterede forskningen i 2D HOIP, så vi, at materialerne havde potentiale til at tilbyde termisk isolering til elektroniske materialer. Gore, en virksomhed der specialiserer sig i termisk isolering for mobile enheder, vil drage fordel af disse materialer og forskningen.
Gore Thermal Insulation er en avanceret termisk styringsløsning, der har en ledningsevne lavere end luft. Den kan øge designfleksibiliteten og designerens evne til at dirigere varme gennem større kontrol af z‑aksens termiske ledningsevne. Forbedret kontrol af z‑aksen betyder overlegne spredningsmuligheder, som hjælper komponenter med at yde på højere niveauer i længere perioder, imødekomme krympende formfaktorer og opfylde krav til overfladetemperatur.
Ud over sine sofistikerede termiske isoleringsegenskaber har Gores løsning andre ydelsesfordele, herunder let integration og støtte fra et team af ingeniører, der yder designvejledning og modelleringsintegration fra den tidlige designfase til kommercialisering.
Grundlagt af Bill og Vieve Gore i 1959 med hovedkontor i Newark, Delaware, USA, har Gore en årlig omsætning på US$4,8 milliarder.
Yderligere forskning i dynamikken mellem materialers natur og deres termiske ledningsevne
Isolering har et bredt anvendelsespotentiale. I sidste ende kræver de fleste rum og materialer i vores dagligdag beskyttelse mod varme. Det er naturligt, at ikke alle typer materialer passer til enhver anvendelsessituation.
Forskning om termisk isolationsydelse og dens indvirkning på indendørs luftkvalitet for cellulose‑baserede termiske isoleringsmaterialer undersøgte forskellige faktorer, der påvirker den termiske ledningsevne. Disse faktorer omfattede typen af råmateriale, fremstillingsprocesser, densitet, fugtindhold og testmiljøets temperatur.
Forskningen påpegede også nogle korrelationer, der er nødvendige for at udvikle materialer med overlegne og unikke isoleringsegenskaber. For eksempel bemærkede forskningen, at fugt påvirker den termiske ydeevne negativt. Omvendt førte en stigning i densitet, opnået gennem materialkomprimering, typisk til reduceret termisk ledningsevne, især for materialer med jævnt fordelt luftspalte.
Forskningen gik dybere og listede specifikke produktkompositioner, hvis termiske ydeevne var bedst ved deres naturlige densiteter. Et produkt bestod af celluloseacetat, affaldscigaretfilter, affaldscigarettpapir og affaldsaluminiseret papir. Et andet bestod udelukkende af affaldspapir.
Når det kom til sorptionskapacitet, kunne den mest åbenlyse intensivering af sorption findes i tilfældet med den termiske isolationsmateriale fremstillet af træfibre og den, der er lavet af cellulose fra affaldskarton, dårlig forarbejdning og inhomogene produkter.
Forskningen blev anset som nyttig, da den analyserede termiske isoleringsmaterialer fremstillet af genanvendt agro‑industrielt affald. Disse materialer, som ofte findes i byggematerialer, var underudviklede.
Den forskning, der udløste vores nuværende diskussion, havde til formål at beskytte elektroniske varer mod varme. Der findes også eksempler på forskning udført inden for dette område. Et hold af forskere fra Xi’an Jiaotong University, Xi’an, Kina, gennemførte for eksempel et eksperimentelt studie om aktiv termisk beskyttelse for elektroniske enheder, der anvendes i dyb‑downhole‑miljøudforskning. I det næste afsnit vil vi gå dybere ind i denne forskning og dens resultater.
Aktiv termisk beskyttelse for elektroniske enheder anvendt i dyb‑downhole‑miljøudforskning
Lad os begynde med, hvad dyb‑downhole‑miljøudforskning er. Det er et af de mest kritiske anvendelsesområder for elektroniske enheder, hvor enheder anvendes til at udnytte og udvinde skiferolie. Udfordringen opstår, fordi det er en zone med høj temperatur kombineret med højt tryk. De termiske forhold i disse områder kan være så ekstreme, at de kan bringe den sikre drift af elektroniske komponenter i fare. Forskerne i dette tilfælde undersøgte et aktivt termisk‑isolationssystem bestående af en spiralformet annular køleplade (ACP), en termisk lagringsbeholder med et fase‑skiftemateriale (PCM) og en aerogel‑måtte (AM).
Holdet målte eksperimentelt påvirkningen af ACP’ens struktur, layout og arbejdsmiddelflow på varmebeskyttelsesydelsen. Ydelsen indebærer to parametre: temperaturkontrolkapacitet og systemets driftstid.
Forskningen fandt, at et lag af aerogel‑måtte var nødvendigt, og at den indre ACP‑kasse viste bedre termisk beskyttelsesydelse. Undersøgelsen foreslog også en annular køleplade (ACP) med spiralflow for hybrid termisk beskyttelse med isoleringsmateriale til brug i dybe borehulsmiljøer.
En anden undersøgelse, udført i 2022 og offentliggjort i tidsskriftet Nature, undersøgte bløde, strækbare termiske beskyttelsesunderlag til bærbar elektronik.
Bløde, strækbare termiske beskyttelsesunderlag til bærbar elektronik
Mange medicinske anvendelser i dag er baseret på effektiv brug af bærbar elektronik. I den forstand kræver disse produkter omhyggelig håndtering. Under operationer kan disse enheder dog blive overophedede, hvilket forårsager termisk ubehag eller skade på huden. Et hold af forskere søgte efter materialer og strukturer, der kunne give avanceret termisk beskyttelse.
De rapporterede et blødt, strækbart termisk beskyttelsesunderlag, der har et sammensat design. Det består af det meget populære polymermateriale polydimethylsiloxan med indlejrede varmeabsorberende mikrosfærer, bestående af fase‑skiftematerialer indkapslet i en harpiks‑skal.
Resultaterne var lovende, da underlaget kunne udsættes for komplekse deformationer på over 150 % og kunne reducere den maksimale hudtemperaturstigning med 82 % eller mere under optimeringer.
Materiale, der forbedrer steady‑state systemydelse i en termisk belastet Google Pixel 3XL
Et andet interessant eksempel på valg af passende termisk isoleringsmateriale involverede brug af grafitfolie med ultra‑høj spredningskapacitet og isoleringsplader med ultra‑lav termisk ledningsevne. Disse blev anvendt på en modificeret Google Pixel 3XL for at reducere overfladens berørings‑ (hud‑) temperaturer.
Implementeringen blev udført for at minimere påvirkningen af enhedens knudepunkttemperatur sammenlignet med selvstændige isoleringsløsninger som luft eller grafit, samtidig med at enhedens steady‑state systemydelse blev forbedret. Fire unikke termiske løsninger med sammenlignelig tykkelse (~350 µm) blev fremstillet til eksperimentet. Efterfølgende blev disse løsninger udsat for termisk stresstest i Pixel via 3DMark—Sling Shot Extreme.
Resultaterne var lovende. De steady‑state berøringstemperaturer faldt med op til 3,2 °C med en <1 °C stigning i maksimal knudepunkttemperatur (TJ) sammenlignet med enkelt‑komponent termiske løsninger af grafit, isolering og luft.
Forskningen konkluderede, at højtydende isolerings‑grafit‑kompositter kunne tilbyde betydelig nytte i at styrke høj‑effekt, tynde arkitekturer af mobil elektronik. Den optimale designkonfiguration kan dog variere, da hvert mobilt elektronisk system kan præsentere unikke termiske udfordringer på grund af forskellig systemeffekt og tilgængeligt rum.
Samlet set er varmekonservering en praksis med enormt potentiale til at hjælpe os med at opnå de bæredygtighedsmodeller, vi ønsker for en grønnere fremtid. Al forskning i effektiv isolering eller termisk styring er i bund og grund forskning i materialer, der undersøger deres unikke egenskaber og optimerer dem efter behov. Aktuelle forskningstendenser viser, at der allerede gøres tilstrækkeligt arbejde i den retning. Indsatsen vil kun intensiveres i de kommende dage.
