Neue Forschung zeigt Wege zur Herstellung effektiver Materialien für überlegene thermische Verwaltung

Wir erkennen Materialien oft anhand ihrer Eigenschaften. Die Fortschritte in der Materialwissenschaft und -technik haben jedoch ermöglicht, Materialien herzustellen, die ungewöhnliche Eigenschaften kombinieren, die oft stark im Gegensatz zueinander stehen. 

In einem jüngsten Beispiel zeigte ein Forscherteam die Möglichkeit von entwickelten Materialien, die sowohl steif als auch in der Lage, Isolierung zu bieten Eigenschaften, wenn sie Hitze ausgesetzt werden. 

Laut Jun Liu, Co‑Korrespondenzautor einer Arbeit zu diesem Thema und außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft‑ und Raumfahrttechnik an der North Carolina State University hat Folgendes zur Einzigartigkeit der Entdeckung gesagt und zum Material:

“Wir haben jetzt eine Reihe von Materialien entdeckt, die sowohl steif als auch hervorragende thermische Isolatoren sind. Zudem können wir die Materialien nach Bedarf so gestalten, dass wir ihre Steifigkeit und thermische Leitfähigkeit steuern können.”

In der Regel findet man, dass Materialien mit hohem Elastizitätsmodul, einer Eigenschaft, die sich durch erhöhte Steifigkeit äußert, nicht isolierend sind. Sie sind im Gegenteil stark thermisch leitfähig. 

Aber was, wenn wir Materialien benötigen, die als gute Isolatoren wirken, ohne ihre Steifigkeit zu verlieren? Diese Materialien werden in Szenarien nützlich sein, in denen thermische Isolierbeschichtungen zum Schutz von Elektronik vor hohen Temperaturen erstellt werden.

Ein tieferer Blick in das Material und weitere Nachforschungen zeigen, dass die von den Forschern untersuchten Materialien eine Teilmenge der zweidimensionalen hybriden organisch‑inorganischen Perowskite (2D HOIP) sind. Diese Materialien bestehen aus Dünnschichten, die aus ‘abwechselnden organischen und anorganischen Schichten in einer hochgeordneten kristallinen Struktur’ bestehen. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die Zusammensetzung entweder der anorganischen oder organischen Schicht abgestimmt werden kann. 

Der Prozess beinhaltet das Ersetzen der Kohlenstoff‑Kohlenstoff‑Ketten in den organischen Schichten dieser Materialien durch Benzolringe. Dies führt zu einer Situation, in der es möglich ist, den Elastizitätsmodul und die thermische Leitfähigkeit zu steuern oder zu regulieren. 

Die Forschung half dem Team zu entwickeln mindestens drei unterschiedliche 2D HOIP‑Materialien, die je steifer sie wurden, weniger thermisch leitfähig wurden.

Abgesehen davon, steife und dennoch isolierende Materialien herzustellen, hat die Forschung auch geholfen, Chiralität in die organischen Schichten einzuführen, was impliziert, dass dieselbe Steifigkeit und thermische Leitfähigkeit aufrechterhalten werden können, ohne wesentliche Änderungen an der Zusammensetzung der organischen Schichten vorzunehmen. Weitere Fortschritte in diesem Bereich könnten die Möglichkeit sichern, andere Eigenschaften dieser Materialien zu optimieren, ohne sich Sorgen über die Auswirkungen dieser Änderungen auf die Steifigkeit oder thermische Leitfähigkeit des Materials zu machen. 

Bei der Bewertung des praktischen Anwendungspotenzials dieser Materialien können viele Unternehmen von dieser Forschung profitieren. Diese Unternehmen verfügen über F&E‑Ressourcen, um die Forschung voranzutreiben, sie in größerem Maßstab zu testen und ihre Vorteile in ihre bestehende Produktpalette zu integrieren oder eine völlig neue Produktlinie zu schaffen. In den folgenden Abschnitten diskutieren wir einige dieser Unternehmen und untersuchen, wie sie diese Innovation übernehmen können. 

#1. Owens Corning

Die Foamular-Produktlinie von Owens Corning (OC ) umfasst Hochleistungsextrudiertes Polystyrol‑Isolierung. Extrudiertes Polystyrolschaum besteht aus geschlossenen Zellen und bietet verbesserte Oberflächenrauheit, höhere Steifigkeit und reduzierte thermische Leitfähigkeit. 

Sein hochleistungsfähiges extrudiertes Polystyrol bietet Isolation durch ein Produkt, das dauerhaft, vielseitig und robust und kommt in praktisch für eine Vielzahl von Anwendungsfällen in Architektur, Ingenieurwesen und Bauwesen. Abgesehen von seinen Isoliereigenschaften sind die Materialien zudem feuchtigkeitsbeständig. 

Owens Corning hat einen proprietären Fertigungsprozess namens Hydrovac, der diese Lösungen herstellt. Der Prozess bietet eine konsistente geschlossene Zellstruktur, frei von Hohlräumen, die Feuchtigkeit fernhält und gleichzeitig einen R‑Wert von 5 pro Zoll Dicke liefert. Im Kontext der Isolierung ist der R‑Wert ein Maß dafür, wie gut die Isolierung eines Gebäudes den Wärmefluss hinein und heraus verhindern kann. Je höher der R‑Wert, desto besser die Leistung des Isolierprodukts. 

Das Produkt hat Druckfestigkeiten von 15 bis 100 psi und wird gemäß ASTM C5781 hergestellt. Es könnte die ideale Wahl für Protected Roof Membrane Assemblies (PRMA) bei begrünten Dächern sein, die nassen Böden und Lasten standhalten können. Zusätzlich ist es leicht, einfach zu handhaben und mit gängigen Außenverkleidungen und Oberflächen kompatibel. Das Produkt bietet nicht nur bis zu 13‑mal mehr Wasserbeständigkeit als herkömmliche EPS‑Isolierung, sondern behält über 20 Jahre mindestens 90 % des R‑Werts bei.

Die Forschung zu hybriden organisch‑inorganischen Perowskiten (2D HOIP), die wir im vorherigen Abschnitt besprochen haben, könnte Owens Corning neue Wege eröffnen, seine Führungsposition in diesem Bereich zu stärken. 

Gegründet 1938 und mit Sitz in Toledo, Ohio, Owens Corning verzeichnete im Jahr 2023 einen Nettoumsatz von 9,7 Milliarden $ im Jahr 2023.

#2. Gore

Während wir die Forschung zu 2D HOIP diskutierten, stellten wir fest, dass die Materialien das Potenzial haben, elektronische Bauteile thermisch zu isolieren. Gore, ein Unternehmen, das sich auf thermische Isolation für mobile Geräte spezialisiert hat, wird von diesen Materialien und der Forschung profitieren.

Gore Thermal Insulation ist eine fortschrittliche Lösung für das thermische Management die eine geringere Leitfähigkeit als Luft aufweist. Sie kann die Designflexibilität erhöhen und dem Designer ermöglichen, Wärme durch eine bessere Kontrolle der thermischen Leitfähigkeit entlang der Z‑Achse zu lenken. Eine verbesserte Kontrolle der Z‑Achse bedeutet überlegene Verteilungsoptionen, die Komponenten helfen, über längere Zeiträume auf höheren Leistungsniveaus zu arbeiten, schrumpfende Formfaktoren zu berücksichtigen und die Anforderungen an die Oberflächentemperatur zu erfüllen. 

Abgesehen von seinen ausgefeilten thermischen Isolationseigenschaften bietet Gores Lösung weitere Leistungsvorteile, darunter die einfache Integration und die Unterstützung eines Teams von Ingenieuren, das Designrichtlinien und Modellintegrationen vom frühen Designzyklus bis zur Kommerzialisierung unterstützt. 

Gegründet von Bill und Vieve Gore im Jahr 1959 und mit Hauptsitz in Newark, Delaware, USA, Gore erzielt einen Jahresumsatz von 4,8 Milliarden US‑$. 

Weitere Forschung zu den Dynamiken zwischen der Natur von Materialien und ihrer thermischen Leitfähigkeit

Isolierung hat ein breites Anwendungspotenzial. Letztendlich benötigen die meisten Räume und Materialien in unserem täglichen Leben Schutz vor Hitze. Es ist völlig natürlich, dass nicht alle Arten von Materialien zu jedem Anwendungsszenario passen. 

Forschung zur thermischen Isolationsleistung und deren Einfluss auf die Raumluftqualität von zellulosebasierten thermischen Isoliermaterialien untersuchte verschiedene Faktoren, die die thermische Leitfähigkeit beeinflussen. Zu diesen Faktoren gehörten die Art des verwendeten Rohmaterials, die Herstellungsprozesse, die Dichte, der Feuchtigkeitsgehalt und die Temperatur der Testumgebung.

Die Forschung wies auch einige Korrelationen auf, die für die Entwicklung von Materialien mit überlegenen und einzigartigen Isolationseigenschaften notwendig sein würden. Beispielsweise stellte die Forschung fest, dass Feuchtigkeit die thermische Leistung negativ beeinflusst. Im Gegensatz dazu führte eine Erhöhung der Dichte, erreicht durch Materialkompression, tendenziell zu einer Reduktion der thermischen Leitfähigkeit, insbesondere bei Materialien mit gleichmäßig verteilten Luftporen.

Die Forschung ging tiefer und listete spezifische Produktzusammensetzungen auf, deren thermische Leistung bei ihrer natürlichen Dichte am besten war. bestand aus Celluloseacetat, gebrauchten Zigarettenfiltern, Zigarettenpapierabfällen und aluminisiertem Papierabfall. Ein weiteres bestand ausschließlich aus Altpapier. 

Bei der Sorptionskapazität war die offensichtlichste Intensivierung der Sorption zu finden im Fall des thermischen Isoliermaterials aus Holzfasern und jenem aus Cellulose, das aus Altkarton, schlechter Verarbeitung und inhomogenen Produkten stammte. 

Die Forschung wurde als nützlich erachtet, da sie thermische Isoliermaterialien aus recyceltem agro‑industriellem Abfall analysierte. Diese Materialien, die häufig in Baustoffen vorkommen, blieben unterentwickelt.

Die Forschung, die unsere aktuelle Diskussion ausgelöst hat, zielte darauf ab, elektronische Geräte vor Hitze zu schützen. Es gibt auch weitere Beispiele für in diesem Bereich durchgeführte Forschung. Ein Forscherteam der Xi’an Jiaotong University, Xi’an, China, führte beispielsweise eine experimentelle Studie zum aktiven thermischen Schutz für elektronische Geräte durch, die bei der Erkundung von Tiefbohrumgebungen eingesetzt werden. Im nächsten Abschnitt gehen wir tiefer auf diese Forschung und ihre Ergebnisse ein.

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Aktiver thermischer Schutz für elektronische Geräte, die bei der Erkundung von Tiefbohrumgebungen eingesetzt werden

Beginnen wir damit, was die Erkundung von Tiefbohrumgebungen ist. Es ist einer der kritischsten Anwendungsbereiche für elektronische Geräte, bei denen Geräte verwendet werden zur Ausbeutung und Gewinnung von Schieferöl eingesetzt werden. Die Herausforderung ergibt sich daraus, dass es sich um eine Zone mit hoher Temperatur und hohem Druck handelt. Die thermischen Bedingungen in diesen Bereichen können so extrem sein, dass sie den sicheren Betrieb elektronischer Komponenten gefährden könnten. Die Forscher in diesem Fall, untersuchten ein aktives Thermo‑Insolationssystem bestehend aus einer spiralförmigen ringförmigen Kühlplatte (ACP), einem thermischen Speicherbehälter mit Phasenwechselmaterial (PCM) und einer Aerogelmatte (AM). 

Das Team maß experimentell den Einfluss der Struktur, Anordnung und Durchflussrate des Arbeitsmediums der ACP auf die Wärme­schutzleistung. Die Leistung umfasste zwei Parameter: Temperaturregelungsfähigkeit und Systembetriebszeit. 

Die Forschung ergab, dass eine Aerogelmattenlage notwendig war und dass das innere ACP‑Gehäuse eine bessere thermische Schutzleistung zeigte. Die Studie schlug zudem eine ringförmige Kühlplatte (ACP) mit Spiralfluss für hybriden thermischen Schutz mit Isoliermaterial für den Einsatz in Tiefbohrumgebungen vor.

Eine weitere Studie, durchgeführt im Jahr 2022 und veröffentlicht in der Zeitschrift Nature, untersuchte weiche, dehnbare thermische Schutzsubstrate für tragbare Elektronik. 

Weiche, dehnbare thermische Schutzsubstrate für tragbare Elektronik

Viele medizinische Anwendungen basieren heute auf dem effektiven Einsatz von tragbarer Elektronik. In diesem Sinne erfordern diese Produkte eine sorgfältige Handhabung. Während des Betriebs können diese Geräte jedoch überhitzen, was zu thermischem Unbehagen oder Hautschäden führen kann. Ein Forscherteam suchte nach Materialien und Strukturen, die einen fortschrittlichen thermischen Schutz bieten könnten. 

Sie berichteten ein weiches, dehnbares thermisches Schutzsubstrat mit einem Verbunddesign. Es besteht aus dem sehr populären polymeren Material Polydimethylsiloxan mit eingebetteten wärmeabsorbierenden Mikrosphären, die aus Phasenwechselmaterialien bestehen, die in der Harzschale eingeschlossen sind.

Die Ergebnisse waren vielversprechend, da das Substrat komplexen Verformungen von über 150 % standhalten und die Spitzenhauttemperatur um 82 % oder mehr bei Optimierungen reduzieren konnte. 

Material zur Verbesserung der stationären Systemleistung in einem thermisch beanspruchten Google Pixel 3XL

Ein weiteres interessantes Beispiel für die Auswahl des geeigneten thermischen Isoliermaterials beinhaltete die Verwendung von Graphitfolien mit ultra‑hoher Ausbreitungskapazität und Isolierfolien mit ultra‑niedriger thermischer Leitfähigkeit. Diese wurden auf einem modifizierten Google Pixel 3XL eingesetzt, um die Oberflächentemperatur (Haut) zu reduzieren.

Der Einsatz wurde durchgeführt, um die Auswirkung der Gerätjunctionstemperatur im Vergleich zu einzelnen Isolationslösungen wie Luft oder Graphit zu minimieren und gleichzeitig die stationäre Systemleistung des Geräts zu verbessern. Vier einzigartige thermische Lösungen mit vergleichbarer Dicke (~350 µm) wurden für das Experiment gefertigt. Anschließend wurden diese Lösungen einem thermischen Stresstest im Pixel mittels 3DMark—Sling Shot Extreme unterzogen.

Die Ergebnisse waren vielversprechend. Die stationären Berührungstemperaturen sanken um bis zu 3,2 °C bei einem Anstieg der maximalen Junction‑Temperatur (TJ) von weniger als 1 °C im Vergleich zu einteiligen thermischen Lösungen aus Graphit, Isolierung und Luft.

Die Forschung kam zu dem Schluss, dass Hochleistungs‑Isolations‑Graphit‑Komposite eine bedeutende Nutzen für die Unterstützung von leistungsstarken, dünnen Architekturen mobiler Elektronik bieten könnten. Die optimale Designkonfiguration kann jedoch variieren, da jedes mobile elektronische System aufgrund seiner unterschiedlichen Systemleistung und des verfügbaren Raums einzigartige thermische Herausforderungen darstellen kann.

Insgesamt ist Wärmeschutz eine Praxis, die ein enormes Potenzial hat, uns zu helfen, die gewünschten Nachhaltigkeitsmodelle für eine grünere Zukunft zu erreichen. Jede Forschung zu effektiver Isolierung oder thermischem Management ist grundsätzlich Forschung an Materialien, die ihre einzigartigen Eigenschaften untersuchen und sie nach Bedarf optimieren. Aktuelle Forschungstrends zeigen, dass bereits ausreichend Arbeit geleistet wird in diese Richtung. Die Bemühungen werden in den kommenden Tagen nur noch zunehmen. 

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