Νέα Έρευνα Δείχνει Τρόπο Κατασκευής Αποτελεσματικών Υλικών για Υπέρτατη Θερμική Διαχείριση

Συχνά αναγνωρίζουμε τα υλικά βάσει των ιδιοτήτων τους. Ωστόσο, οι προόδους που επιτεύχθηκαν στην επιστήμη των υλικών και τη μηχανική έχουν καταστήσει δυνατή την παραγωγή υλικών που συνδυάζουν ασυνήθιστες ιδιότητες, οι οποίες συχνά βρίσκονται σε έντονη αντίθεση μεταξύ τους. 

Σε ένα πρόσφατο παράδειγμα, μια ομάδα ερευνητών έδειξε τη δυνατότητα μηχανικών υλικών που είναι και ταυτόχρονα σκληρά και ικανοί να προσφέρουν μόνωση ιδιότητες όταν εκτίθενται σε θερμότητα. 

Σύμφωνα με τον Jun Liu, συν-συγγραφέα της εργασίας και αναπληρωτή καθηγητή μηχανικής και αεροδιαστημικής στο North Carolina State University, είχε τα εξής να πει για τη μοναδικότητα της ανακάλυψης και του υλικού:

«Έχουμε τώρα ανακαλύψει μια σειρά υλικών που είναι ταυτόχρονα σκληρά και εξαιρετικοί θερμικοί μονωτές. Επιπλέον, μπορούμε να σχεδιάσουμε τα υλικά όπως απαιτείται για να ελέγξουμε πόσο σκληρά και θερμικά αγώγιμα είναι.»

Συνήθως, τα υλικά με υψηλό ελαστικό μέτρο, μια ιδιότητα που εκδηλώνεται μέσω αυξημένης σκληρότητας, δεν είναι μονωτικά. Αντίθετα, είναι εξαιρετικά θερμικά αγώγιμα. 

Αλλά τι γίνεται αν χρειαζόμαστε υλικά που θα λειτουργούν ως καλές μόνωση χωρίς να χάνουν τη σκληρότητά τους; Αυτά τα υλικά θα είναι χρήσιμα σε σενάρια που αφορούν τη δημιουργία θερμικών επενδύσεων για την προστασία των ηλεκτρονικών από υψηλές θερμοκρασίες.

Αναλύοντας πιο βαθιά το υλικό και ερευνώντας περαιτέρω την έρευνα, αποκαλύπτεται ότι τα υλικά στα οποία εργάστηκαν οι ερευνητές αποτελούν υποσύνολο των δισδιάστατων υβριδικών οργανικών-ανόργανων περοβσκίτες (2D HOIP). Αυτά τα υλικά αποτελούνται από λεπτές ταινίες που περιλαμβάνουν «εναλλασσόμενα οργανικά και ανόργανα στρώματα σε μια εξαιρετικά τακτοποιημένη κρυσταλλική δομή». Αυτό που προσθέτει στην αξία τους είναι ότι είναι δυνατόν να ρυθμιστεί η σύνθεση είτε του ανόργανου είτε του οργανικού στρώματος.

Η διαδικασία περιλαμβάνει την αντικατάσταση των αλυσίδων άνθρακα-άνθρακα στα οργανικά στρώματα αυτών των υλικών με δακτυλίους βενζολίου. Αυτό οδηγεί σε μια κατάσταση όπου είναι δυνατόν να ελεγχθεί ή να ρυθμιστεί το ελαστικό μέτρο και η θερμική αγωγιμότητα. 

Η έρευνα βοήθησε την ομάδα να δημιουργήσει τουλάχιστον τρία διαφορετικά 2D HOIP υλικά που έγιναν λιγότερο θερμικά αγώγιμα όσο πιο σκληρά έγιναν. 

Εκτός από τη δημιουργία σκληρών αλλά και μονωτικών υλικών, η έρευνα συνέβαλε επίσης στην εισαγωγή χειρομορφίας στα οργανικά στρώματα, υποδεικνύοντας ότι η ίδια σκληρότητα και θερμική αγωγιμότητα θα μπορούσαν να διατηρηθούν χωρίς την ανάγκη σημαντικών αλλαγών στη σύνθεση των οργανικών στρωμάτων. Η περαιτέρω πρόοδος σε αυτό το πεδίο μπορεί να εξασφαλίσει τη δυνατότητα βελτιστοποίησης άλλων χαρακτηριστικών αυτών των υλικών χωρίς να ανησυχεί για την επίδραση αυτών των αλλαγών στη σκληρότητα ή τη θερμική αγωγιμότητα του υλικού. 

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 προϊόντων Foamular της Owens Corning (OC ) αποτελείται από υψηλής απόδοσης εξωθημένο πολυστυρενικό μονωτικό υλικό. Η εξωθημένη πολυστυρενική αφρός αποτελείται από κλειστά κύτταρα και προσφέρει βελτιωμένη τραχύτητα επιφάνειας, υψηλότερη σκληρότητα και μειωμένη θερμική αγωγιμότητα. 

Η υψηλής απόδοσης εξωθημένη πολυστυρενική αφρός προσφέρει μόνωση μέσω ενός προϊόντος που είναι ανθεκτικό, ευέλικτο και ανθεκτικό και είναι χρήσιμο για μια σειρά εφαρμογών στην αρχιτεκτονική, τη μηχανική και την κατασκευή. Εκτός από τις μονωτικές του ιδιότητες, τα υλικά είναι επίσης ανθεκτικά στην υγρασία. 

Owens Corning has a proprietary manufacturing process named Hydrovac that manufactures these solutions. The process offers a consistent closed-cell structure, free of voids, which keeps moisture out while delivering an R-value of 5 per inch of thickness. In the context of insulation, the R-value is a measure of how well a building’s insulation can prevent the flow of heat in and out of the home. The higher the R-value, the greater the performance of the insulation product. 

The product has compressive strengths ranging from 15 to 100 psi and is manufactured in compliance with ASTM C5781. It could be the ideal choice in Protected Roof Membrane Assemblies (PRMA) for vegetative roofs, which can withstand wet soils and loads. Additionally, it is lightweight, easy to handle, and compatible with common exterior claddings and finishes. Not only does the product offer up to 13 times more resistance to water than conventional EPS insulation, but it also retains a minimum of 90% of R-value over 20 years.

The research on hybrid organic-inorganic perovskites (2D HOIP) we discussed in the earlier segment could offer Owens Corning new avenues to augment its leadership in this space. 

Ιδρύθηκε το 1938 και εδρεύει στο Toledo, Ohio, η Owens Corning κατέγραψε καθαρά έσοδα 9,7 δισεκατομμύρια δολάρια 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.

Gore Thermal Insulation is an advanced thermal management solution that has conductivity lower than air. It can increase design flexibility and the designer’s ability to direct heat through greater control of z-axis thermal conductivity. Improved control of the z-axis means superior spreading options that help components perform at higher levels for longer periods, accommodate shrinking form factors, and meet surface temperature requirements. 

Apart from its sophisticated thermal insulation properties, Gore’s solution has other performance benefits, including being easy to integrate and having the backing of a team of engineers that supports design guidance and modeling integration from the early design cycle through commercialization. 

Ιδρύθηκε από τους Bill και Vieve Gore το 1959 και έχει την κεντρική έδρα του στο Newark, Delaware, United States, η Gore έχει ετήσιο κύκλο εργασιών 4,8 δισεκατομμύρια δολάρια. 

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 την απόδοση θερμικής μόνωσης και η επίδρασή της στην ποιότητα του εσωτερικού αέρα των υλικών θερμικής μόνωσης βάσει κυτταρινών ελέγχθηκε για διάφορους παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμική αγωγιμότητα. Αυτοί οι παράγοντες περιλαμβάνουν τον τύπο του ακατέργαστου υλικού, τις διαδικασίες κατασκευής, 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 έρευνα ερεύνησε πιο βαθιά συγκεκριμένες συνθέσεις προϊόντων των οποίων η θερμική απόδοση ήταν η καλύτερη στις φυσικές πυκνότητές τους. Ένα προϊόν περιλάμβανε κυτταρινικό ακετυλικό, φίλτρα τσιγάρων απορριμμάτων, χαρτί τσιγάρων απορριμμάτων και αλουμινωμένο χαρτί απορριμμάτων. Ένα άλλο περιλάμβανε μόνο απορριμμένα χαρτιά. 

Όσον αφορά τη χωρητικότητα απορρόφησης, η πιο προφανής ενίσχυση της απορρόφησης μπορούσε να βρεθεί στην περίπτωση του υλικού θερμικής μόνωσης από ίνες ξύλου και του υλικού από κυτταρίνη που προέρχεται από απορριμμένο χαρτόνι, κακή 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 πυροδότησε τη σημερινή μας συζήτηση είχε ως στόχο την προστασία των ηλεκτρονικών αγαθών από τη θερμότητα. Υπάρχουν επίσης παραδείγματα έρευνας σε αυτόν τον χώρο. Μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Xi’an Jiaotong, Xi’an, Κίνα, για παράδειγμα, πραγματοποίησε πειραματική μελέτη για ενεργή θερμική προστασία ηλεκτρονικών συσκευών που χρησιμοποιούνται στην εξερεύνηση βαθιών περιβαλλοντικών χώρων. Στο επόμενο τμήμα, θα εμβαθύνουμε σε αυτή την έρευνα και τα ευρήματά της.

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 για Ηλεκτρονικές Συσκευές που Χρησιμοποιούνται στην Εξερεύνηση Βαθιών Περιβάλλοντος

Ας ξεκινήσουμε με το τι είναι η εξερεύνηση βαθιών περιβαλλοντικών χώρων. Είναι ένας από τους πιο κρίσιμους τομείς εφαρμογής ηλεκτρονικών συσκευών, όπου οι συσκευές χρησιμοποιούνται για την εκμετάλλευση και εξόρυξη πετρελαίου από σχιστόλιθους. Η πρόκληση προκύπτει από το γεγονός ότι πρόκειται για ζώνη υψηλής θερμοκρασίας συνδυασμένης με υψηλή πίεση. Οι θερμικές συνθήκες σε αυτούς τους χώρους μπορεί να είναι τόσο ακραίες ώστε να θέτουν σε κίνδυνο τη ασφαλή λειτουργία των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. Οι ερευνητές, σε αυτήν την περίπτωση, studied an active thermal−insulation system που αποτελείται από μια σπείρωδη δακτυλιοειδή ψυκτική πλάκα (ACP), ένα δοχείο αποθήκευσης θερμότητας με υλικό φάσης αλλαγής (PCM) και ένα στρώμα αερογέλης (AM). 

Η ομάδα μετρήθηκε πειραματικά την επίδραση της δομής, της διάταξης και του ρυθμού ροής του μέσου λειτουργίας της ACP στην απόδοση προστασίας από τη θερμότητα. Η απόδοση υποδήλωνε δύο παραμέτρους: ικανότητα ελέγχου θερμοκρασίας και χρόνο λειτουργίας του συστήματος. 

Η έρευνα διαπίστωσε ότι ένα στρώμα αερογέλης ήταν απαραίτητο και ότι η εσωτερική θήκη της ACP παρουσίαζε καλύτερη απόδοση θερμικής προστασίας. Η μελέτη πρότεινε επίσης μια δακτυλιοειδή ψυκτική πλάκα (ACP) με σπείρωδη ροή για υβριδική θερμική προστασία με μονωτικό υλικό για χρήση σε βαθιές περιβαλλοντικές ζώνες.

Μια άλλη μελέτη, που διεξήχθη το 2022 και δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature, ερεύνησε μαλακές, επεκτάσιμες θερμικές προστατευτικές υποστρώσεις για φορετές ηλεκτρονικές συσκευές. 

Μαλακές, Επεκτάσιμες Θερμικές Προστατευτικές Υποστρώσεις για Φορετές Ηλεκτρονικές Συσκευές

Πολλές ιατρικές εφαρμογές σήμερα βασίζονται στη αποτελεσματική χρήση φορετών ηλεκτρονικών. Σε αυτό το πλαίσιο, αυτά τα προϊόντα απαιτούν προσεκτικό χειρισμό. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια των λειτουργιών, αυτές οι συσκευές μπορεί να υπερθερμανθούν, προκαλώντας θερμική δυσφορία ή ζημιά στο δέρμα. Μια ομάδα ερευνητών αναζήτησε υλικά και δομές που θα μπορούσαν να προσφέρουν προηγμένη θερμική προστασία. 

Αναφέρθηκαν σε μια μαλακή, επεκτάσιμη θερμική προστατευτική υποστρώση με σύνθετο σχεδιασμό. Αποτελείται από το πολύ δημοφιλές πολυμερές πολυδιμεθυλοσιλόξανο (PDMS) με ενσωματωμένες μικροσφαίρες απορρόφησης θερμότητας, που αποτελούνται από υλικά φάσης αλλαγής ενσωματωμένα μέσα στο κελύφος της ρητίνης.

Τα αποτελέσματα ήταν ενθαρρυντικά, καθώς η υποστρώση μπορούσε να υποστεί σύνθετες παραμορφώσεις πάνω από 150% και να μειώσει την αύξηση της θερμοκρασίας του δέρματος κατά 82% ή περισσότερο υπό βέλτιστες συνθήκες. 

Υλικό που Βελτιώνει την Απόδοση Σταθερής Κατάστασης Συστήματος σε Θερμικά Φορτισμένο Google Pixel 3XL

Another interesting example of selecting the appropriate thermal insulating material involved the use of graphite foils with ultra-high spreading capacity and insulation sheets with ultra-low thermal conductivity. These were deployed on modified Google Pixel 3XL to reduce surface touch (skin) temperatures.

Η εγκατάσταση πραγματοποιήθηκε για να ελαχιστοποιήσει την επίδραση της θερμοκρασίας συγκόλλησης της συσκευής σε σύγκριση με ανεξάρτητες λύσεις μόνωσης όπως ο αέρας ή το γραφίτης, ενώ ταυτόχρονα βελτιώνει την απόδοση του συστήματος σε σταθερή κατάσταση. Τέσσερις μοναδικές θερμικές λύσεις συγκρίσιμου πάχους (~350 µm) κατασκευάστηκαν για το πείραμα. Στη συνέχεια, αυτές οι λύσεις υποβλήθηκαν σε δοκιμές θερμικού στρες στο Pixel μέσω 3DMark—Sling Shot Extreme. 

Τα αποτελέσματα ήταν ενθαρρυντικά. Οι θερμοκρασίες άγγιγμα σε σταθερή κατάσταση μειώθηκαν έως και 3,2 °C με αύξηση <1 °C στη μέγιστη θερμοκρασία συγκόλλησης (TJ) σε σύγκριση με μονοσυστατικά θερμικά λύσεις γραφίτη, μόνωσης και αέρα.

Η έρευνα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα υψηλής απόδοσης σύνθετα μόνωσης-γραφίτη θα μπορούσαν να προσφέρουν σημαντική χρησιμότητα στην ενδυνάμωση ισχυρών, λεπτών αρχιτεκτονικών κινητών ηλεκτρονικών. Ωστόσο, η βέλτιστη διαμόρφωση σχεδίασης μπορεί να διαφέρει, καθώς κάθε κινητό σύστημα μπορεί να παρουσιάσει μοναδικές θερμικές προκλήσεις λόγω της ποικιλίας ισχύος συστήματος και διαθέσιμου χώρου.

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.