Νέα Έρευνα Δείχνει Τρόπο Κατασκευής Αποτελεσματικών Υλικών για Υπέρτατη Θερμική Διαχείριση

Συχνά αναγνωρίζουμε τα υλικά από τις ιδιότητές τους. Ωστόσο, οι πρόοδοι στην επιστήμη και τη μηχανική των υλικών επιτρέπουν τη δημιουργία υλικών με ασυνήθιστους συνδυασμούς ιδιοτήτων, που συχνά φαίνονται αντιφατικές.

Πρόσφατα, μια ομάδα ερευνητών έδειξε ότι μπορούν να κατασκευαστούν υλικά ταυτόχρονα άκαμπτα και θερμομονωτικά όταν εκτίθενται στη θερμότητα.

Ο Jun Liu, συν-συγγραφέας της εργασίας και αναπληρωτής καθηγητής μηχανολογίας και αεροδιαστημικής μηχανικής στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας, δήλωσε για τη μοναδικότητα της ανακάλυψης:

«Ανακαλύψαμε μια σειρά υλικών που είναι ταυτόχρονα άκαμπτα και εξαιρετικοί θερμικοί μονωτές. Επιπλέον, μπορούμε να τα σχεδιάσουμε ανάλογα με τις ανάγκες, ελέγχοντας την ακαμψία και τη θερμική αγωγιμότητά τους».

Συνήθως, τα υλικά με υψηλό μέτρο ελαστικότητας, δηλαδή αυξημένη ακαμψία, δεν είναι μονωτικά. Αντιθέτως, έχουν πολύ υψηλή θερμική αγωγιμότητα.

Τι συμβαίνει όμως όταν χρειαζόμαστε καλή μόνωση χωρίς απώλεια ακαμψίας; Τέτοια υλικά θα ήταν χρήσιμα για θερμικές επενδύσεις που προστατεύουν τα ηλεκτρονικά από υψηλές θερμοκρασίες.

Η προσεκτικότερη εξέταση δείχνει ότι τα υλικά της μελέτης αποτελούν υποσύνολο των δισδιάστατων υβριδικών οργανικών-ανόργανων περοβσκιτών (2D HOIP). Πρόκειται για λεπτά υμένια με εναλλασσόμενες οργανικές και ανόργανες στρώσεις σε εξαιρετικά οργανωμένη κρυσταλλική δομή. Η αξία τους ενισχύεται από τη δυνατότητα ρύθμισης της σύστασης κάθε είδους στρώσης.

Η διαδικασία αντικαθιστά τις αλυσίδες άνθρακα-άνθρακα στις οργανικές στρώσεις με δακτυλίους βενζολίου. Έτσι μπορούν να ελεγχθούν το μέτρο ελαστικότητας και η θερμική αγωγιμότητα.

Η ομάδα δημιούργησε τουλάχιστον τρία διαφορετικά υλικά 2D HOIP, των οποίων η θερμική αγωγιμότητα μειωνόταν όσο αυξανόταν η ακαμψία.

Η έρευνα εισήγαγε επίσης χειρομορφία στις οργανικές στρώσεις, δείχνοντας ότι η ίδια ακαμψία και θερμική αγωγιμότητα μπορούν να διατηρηθούν χωρίς μεγάλες αλλαγές στη σύστασή τους. Αυτό μπορεί να επιτρέψει τη βελτιστοποίηση άλλων χαρακτηριστικών χωρίς να επηρεάζονται η ακαμψία και η θερμική αγωγιμότητα.

Όσον αφορά την αξιολόγηση του πρακτικού δυναμικού εφαρμογής αυτών των υλικών, πολλές εταιρείες μπορούν να επωφεληθούν από αυτή την έρευνα. Αυτές οι εταιρείες διαθέτουν πόρους Έ&Δ για να προχωρήσουν την έρευνα, να τη δοκιμάσουν σε μεγαλύτερη κλίμακα και να ενσωματώσουν τα οφέλη της στην υπάρχουσα σειρά προϊόντων τους ή να δημιουργήσουν εντελώς νέα σειρά προϊόντων. Στα επόμενα τμήματα, θα συζητήσουμε μερικές τέτοιες εταιρείες και θα εξετάσουμε τρόπους με τους οποίους μπορούν να υιοθετήσουν αυτή την καινοτομία. 

#1. Owens Corning

Η σειρά Foamular της Owens Corning (OC ) περιλαμβάνει μονωτικά υλικά εξηλασμένης πολυστερίνης υψηλής απόδοσης. Ο αφρός έχει κλειστές κυψέλες και προσφέρει βελτιωμένη τραχύτητα επιφάνειας, μεγαλύτερη ακαμψία και μικρότερη θερμική αγωγιμότητα.

Ο αφρός εξηλασμένης πολυστερίνης υψηλής απόδοσης είναι ανθεκτικός, ευέλικτος και κατάλληλος για πολλές αρχιτεκτονικές, μηχανικές και κατασκευαστικές εφαρμογές. Εκτός από τη θερμομόνωση, προσφέρει και αντοχή στην υγρασία.

Η Owens Corning διαθέτει μια ιδιόκτητη διαδικασία παραγωγής με την ονομασία Hydrovac για αυτές τις λύσεις. Η διαδικασία δημιουργεί ομοιόμορφη δομή κλειστών κυψελών χωρίς κενά, αποκλείοντας την υγρασία και προσφέροντας τιμή θερμικής αντίστασης R ίση με 5 ανά ίντσα πάχους. Στη μόνωση, η τιμή R δείχνει πόσο αποτελεσματικά το μονωτικό ενός κτιρίου εμποδίζει τη ροή θερμότητας προς και από το σπίτι. Όσο υψηλότερη είναι, τόσο καλύτερη η απόδοση του προϊόντος.

Το προϊόν έχει αντοχή σε θλίψη από 15 έως 100 psi και κατασκευάζεται σύμφωνα με το ASTM C5781. Μπορεί να είναι ιδανικό για συστήματα προστατευμένης στεγανωτικής μεμβράνης οροφής (PRMA) σε φυτεμένα δώματα, που πρέπει να αντέχουν υγρό χώμα και φορτία. Είναι ελαφρύ, εύκολο στον χειρισμό και συμβατό με συνήθεις εξωτερικές επενδύσεις και τελειώματα. Προσφέρει έως 13 φορές μεγαλύτερη αντοχή στο νερό από τη συμβατική μόνωση EPS και διατηρεί τουλάχιστον το 90% της τιμής R για 20 χρόνια.

Η έρευνα για τους υβριδικούς οργανικούς-ανόργανους περοβσκίτες 2D HOIP μπορεί να προσφέρει στην Owens Corning νέους τρόπους να ενισχύσει την ηγετική της θέση στον τομέα.

Η Owens Corning ιδρύθηκε το 1938 και εδρεύει στο Τολέδο του Οχάιο. Κατέγραψε καθαρές πωλήσεις 9,7 δισεκατομμυρίων δολαρίων το 2023.

#2. Gore

Κατά τη διάρκεια της συζήτησης για την έρευνα στα 2D HOIP, παρατηρήσαμε ότι τα υλικά είχαν τη δυνατότητα να προσφέρουν θερμική μόνωση σε ηλεκτρονικά υλικά. Η Gore, εταιρεία που ειδικεύεται στη θερμική μόνωση για κινητές συσκευές, θα ωφεληθεί από αυτά τα υλικά και την έρευνα.

Το Gore Thermal Insulation είναι μια προηγμένη λύση θερμικής διαχείρισης με θερμική αγωγιμότητα χαμηλότερη από του αέρα. Αυξάνει την ευελιξία σχεδιασμού και τη δυνατότητα κατεύθυνσης της θερμότητας μέσω καλύτερου ελέγχου της αγωγιμότητας στον άξονα z. Αυτό επιτρέπει αποτελεσματικότερη διάχυση της θερμότητας, υψηλότερη απόδοση εξαρτημάτων για μεγαλύτερο διάστημα, μικρότερες διαστάσεις συσκευών και συμμόρφωση με τις απαιτήσεις θερμοκρασίας επιφάνειας.

Εκτός από τις προηγμένες μονωτικές ιδιότητες, η λύση της Gore προσφέρει εύκολη ενσωμάτωση και υποστήριξη από ομάδα μηχανικών, με καθοδήγηση σχεδιασμού και ενσωμάτωση μοντέλων από τα πρώτα στάδια έως την εμπορική διάθεση. 

Η Gore ιδρύθηκε από τους Bill και Vieve Gore το 1959 και εδρεύει στο Νιούαρκ του Ντέλαγουερ στις ΗΠΑ. Έχει ετήσιο κύκλο εργασιών 4,8 δισεκατομμυρίων δολαρίων. 

Περαιτέρω Έρευνα για τη Δυναμική μεταξύ της Φύσης των Υλικών και της Θερμικής τους Αγωγιμότητας

Η μόνωση έχει ευρύ φάσμα εφαρμογών. Τελικά, οι περισσότεροι χώροι και υλικά στην καθημερινή μας ζωή απαιτούν προστασία από τη θερμότητα. Είναι φυσικό ότι δεν ταιριάζουν όλα τα είδη υλικών σε κάθε τύπο εφαρμογής. 

Έρευνα για τη θερμομονωτική απόδοση και την επίδραση των μονωτικών υλικών κυτταρίνης στην ποιότητα του αέρα εσωτερικών χώρων εξέτασε παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμική αγωγιμότητα: την πρώτη ύλη, τις διαδικασίες παραγωγής, την πυκνότητα, την υγρασία και τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος δοκιμής.

Η έρευνα επίσης ανέδειξε κάποιες συσχετίσεις που θα ήταν απαραίτητες για την ανάπτυξη υλικών με ανώτερες και μοναδικές ιδιότητες μόνωσης. Για παράδειγμα, η έρευνα σημείωσε ότι η υγρασία επηρεάζει αρνητικά την θερμική απόδοση. Αντίθετα, μια αύξηση στην πυκνότητα, που επιτυγχάνεται μέσω συμπίεσης του υλικού, τείνει να μειώνει τη θερμική αγωγιμότητα, ιδιαίτερα για υλικά με ομοιόμορφα κατανεμημένα κενά αέρα.

Η μελέτη εξέτασε συγκεκριμένες συνθέσεις με την καλύτερη θερμική απόδοση στις φυσικές τους πυκνότητες. Μία περιλάμβανε οξική κυτταρίνη, απορριμμένα φίλτρα τσιγάρων, χαρτί τσιγάρων και επιμεταλλωμένο με αλουμίνιο χαρτί. Μια άλλη περιλάμβανε μόνο άχρηστα χαρτιά.

Όσον αφορά την απορροφητική ικανότητα, η μεγαλύτερη αύξηση παρατηρήθηκε στο θερμομονωτικό υλικό από ίνες ξύλου και στο υλικό κυτταρίνης από απορριμμένο χαρτόνι, με ανεπαρκή επεξεργασία και ανομοιογενή προϊόντα.

Η έρευνα κριθηκε χρήσιμη καθώς ανέλυσε υλικά θερμικής μόνωσης κατασκευασμένα από ανακυκλωμένα αγροβιομηχανικά απόβλητα. Αυτά τα υλικά, που συχνά εμφανίζονται σε κατασκευαστικά υλικά, παρέμειναν υποανάπτυκτα.

Η έρευνα που άνοιξε τη συζήτηση αποσκοπεί στην προστασία ηλεκτρονικών από τη θερμότητα. Υπάρχουν και άλλες σχετικές μελέτες. Για παράδειγμα, ερευνητές του Πανεπιστημίου Xi’an Jiaotong στην Κίνα μελέτησαν πειραματικά την ενεργή θερμική προστασία ηλεκτρονικών που χρησιμοποιούνται σε εξερευνήσεις μεγάλου βάθους. Ακολουθούν τα ευρήματά τους.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε για το αυτό-θερμαινόμενο σκυρόδεμα που θα μπορούσε να βοηθήσει τους δρόμους, τα υδροφόρα στρώματα και τα πορτοφόλια μας.

Ενεργή θερμική προστασία ηλεκτρονικών για εξερεύνηση μεγάλου βάθους

Η εξερεύνηση μεγάλου βάθους είναι σημαντικό πεδίο εφαρμογής ηλεκτρονικών συσκευών, μεταξύ άλλων για την εκμετάλλευση και εξόρυξη σχιστολιθικού πετρελαίου. Οι υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις μπορούν να απειλήσουν την ασφαλή λειτουργία των εξαρτημάτων. Οι ερευνητές μελέτησαν ένα ενεργό σύστημα θερμομόνωσης αποτελούμενο από δακτυλιοειδή πλάκα ψύξης με σπειροειδή ροή (ACP), δοχείο αποθήκευσης θερμότητας με υλικό αλλαγής φάσης (PCM) και στρώση αερογέλης (AM).

Η ομάδα μέτρησε πειραματικά πώς η δομή, η διάταξη και η παροχή του εργαζόμενου μέσου της ACP επηρέαζαν τη θερμική προστασία. Αξιολόγησε δύο παραμέτρους: τον έλεγχο της θερμοκρασίας και τον χρόνο λειτουργίας του συστήματος.

Η μελέτη έδειξε ότι η αερογέλη ήταν απαραίτητη και ότι η εσωτερική τοποθέτηση της ACP παρείχε καλύτερη θερμική προστασία. Πρότεινε επίσης δακτυλιοειδή πλάκα ψύξης με σπειροειδή ροή σε συνδυασμό με μονωτικό υλικό για υβριδική θερμική προστασία σε περιβάλλοντα μεγάλου βάθους.

Άλλη μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Nature το 2022, εξέτασε μαλακά, ελαστικά θερμοπροστατευτικά υποστρώματα για φορετά ηλεκτρονικά.

Μαλακά, ελαστικά θερμοπροστατευτικά υποστρώματα για φορετά ηλεκτρονικά

Πολλές ιατρικές εφαρμογές βασίζονται στην αποτελεσματική χρήση φορετών ηλεκτρονικών και απαιτούν προσεκτικό χειρισμό. Κατά τη λειτουργία τους, οι συσκευές μπορεί να υπερθερμανθούν και να προκαλέσουν δυσφορία ή βλάβη στο δέρμα. Οι ερευνητές αναζήτησαν υλικά και δομές για προηγμένη θερμική προστασία.

Περιέγραψαν ένα μαλακό, ελαστικό θερμοπροστατευτικό υπόστρωμα με σύνθετη δομή: πολυδιμεθυλοσιλοξάνη (PDMS) με ενσωματωμένες μικροσφαίρες απορρόφησης θερμότητας, οι οποίες περιέχουν υλικά αλλαγής φάσης μέσα σε κέλυφος ρητίνης.

Τα αποτελέσματα ήταν ενθαρρυντικά: το υπόστρωμα άντεχε σύνθετες παραμορφώσεις άνω του 150% και μείωνε την αύξηση της θερμοκρασίας του δέρματος κατά 82% ή περισσότερο υπό βέλτιστες συνθήκες.

Υλικό που βελτιώνει την απόδοση σταθερής κατάστασης ενός θερμικά καταπονούμενου Google Pixel 3XL

Ένα άλλο ενδιαφέρον παράδειγμα συνδύασε φύλλα γραφίτη με πολύ υψηλή ικανότητα διάχυσης θερμότητας και μονωτικά φύλλα εξαιρετικά χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας. Τοποθετήθηκαν σε τροποποιημένα Google Pixel 3XL για να μειώσουν τη θερμοκρασία της επιφάνειας που αγγίζει το δέρμα.

Στόχος ήταν να περιοριστεί η επίδραση στη θερμοκρασία επαφής του ημιαγωγού σε σύγκριση με μεμονωμένες λύσεις όπως ο αέρας ή ο γραφίτης, βελτιώνοντας παράλληλα την απόδοση σταθερής κατάστασης. Κατασκευάστηκαν τέσσερις διαφορετικές θερμικές λύσεις παρόμοιου πάχους, περίπου 350 µm, και δοκιμάστηκαν στο Pixel με το 3DMark–Sling Shot Extreme.

Οι θερμοκρασίες επιφάνειας σε σταθερή κατάσταση μειώθηκαν έως 3,2 °C, με αύξηση μικρότερη του 1 °C στη μέγιστη θερμοκρασία επαφής του ημιαγωγού (TJ), σε σύγκριση με λύσεις μόνο από γραφίτη, μόνωση ή αέρα.

Η έρευνα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα υψηλής απόδοσης σύνθετα μόνωσης-γραφίτη μπορούν να συμβάλουν σημαντικά σε ισχυρές και λεπτές αρχιτεκτονικές φορητών ηλεκτρονικών. Η βέλτιστη διάταξη μπορεί όμως να διαφέρει, επειδή η ισχύς και ο διαθέσιμος χώρος δημιουργούν ιδιαίτερες θερμικές προκλήσεις σε κάθε σύστημα.

Συνολικά, η διατήρηση της θερμότητας είναι μια πρακτική με τεράστιο δυναμικό να μας βοηθήσει να επιτύχουμε τα μοντέλα βιωσιμότητας που θέλουμε για ένα πιο πράσινο μέλλον. Οποιαδήποτε έρευνα για αποτελεσματική μόνωση ή θερμική διαχείριση είναι ουσιαστικά έρευνα για υλικά, εξετάζοντας τις μοναδικές τους ιδιότητες και βελτιστοποιώντας τις όπως απαιτείται. Οι τρέχουσες τάσεις έρευνας δείχνουν ότι αρκετή δουλειά γίνεται ήδη σε αυτή την κατεύθυνση. Οι προσπάθειες θα ενταθούν μόνο στο μέλλον. 

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε για τις προσαρμοστικές κεραμίδες στέγης που μπορεί να είναι το κλειδί για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας θέρμανσης και ψύξης.