Ciencia de materiales
Nueva investigación muestra cómo crear materiales eficaces para una gestión térmica superior
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A menudo reconocemos los materiales por sus propiedades. Sin embargo, los avances logrados en la ciencia e ingeniería de materiales han hecho posible producir materiales que combinan propiedades inusuales, que a menudo están en marcado contraste entre sí.
En un ejemplo reciente, un equipo de investigadores demostró la posibilidad de materiales diseñados que son a la vez rígidos y capaces de ofrecer aislamiento propiedades cuando se exponen al calor.
Según Jun Liu, coautor correspondiente de un artículo sobre el trabajo y profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, tuvo lo siguiente que decir sobre la singularidad del descubrimiento y del material:
“Ahora hemos descubierto una gama de materiales que son tanto rígidos como excelentes aislantes térmicos. Además, podemos diseñar los materiales según sea necesario para controlar cuán rígidos y conductores térmicamente son.”
Normalmente, se observa que los materiales con alto módulo elástico, una propiedad que se manifiesta mediante una mayor rigidez, no son aislantes. Son, todo lo contrario, altamente conductores térmicos.
¿Pero qué pasa si necesitamos materiales que actúen como buenos aislantes sin perder su rigidez? Estos materiales serán útiles en escenarios que impliquen crear recubrimientos de aislamiento térmico para proteger la electrónica de altas temperaturas.
Al profundizar en el material e indagar más sobre la investigación, se muestra que los materiales en los que trabajaron los investigadores son una subcategoría de los perovskitas híbridos orgánico-inorgánicos bidimensionales (2D HOIP). Estos materiales consisten en películas delgadas que presentan ‘capas orgánicas e inorgánicas alternadas en una estructura cristalina altamente ordenada.’ Lo que añade valor es que es posible ajustar la composición de la capa inorgánica o orgánica.
El proceso implica reemplazar las cadenas carbono‑carbono en las capas orgánicas de estos materiales por anillos de benceno. Esto conduce a un escenario donde es posible controlar o regular el módulo elástico y la conductividad térmica.
La investigación ayudó al equipo a desarrollar al menos tres materiales 2D HOIP distintos que se volvieron menos conductores térmicamente a medida que se volvían más rígidos.
Además de crear materiales rígidos pero aislantes, la investigación también ayudó a introducir quiralidad en las capas orgánicas, lo que implica que la misma rigidez y conductividad térmica podrían mantenerse sin necesidad de realizar cambios sustanciales en la composición de las capas orgánicas. Un mayor avance en este aspecto podría garantizar la posibilidad de optimizar otras características de estos materiales sin preocuparse por el impacto de dichos cambios en la rigidez o la conductividad térmica del material.
Al evaluar el potencial de aplicación práctica de estos materiales, muchas empresas pueden beneficiarse de esta investigación. Estas compañías cuentan con recursos de I+D para avanzar en la investigación, probarla a mayor escala e integrar sus beneficios en su línea de productos existente o crear una nueva línea de productos. En los siguientes segmentos, discutimos un par de esas empresas y analizamos cómo pueden adoptar esta innovación.
#1. Owens Corning
La línea de productos Foamular de Owens Corning (OC ) comprende aislamiento de poliestireno extruido de alto rendimiento. La espuma de poliestireno extruido está formada por celdas cerradas y ofrece mayor rugosidad superficial, mayor rigidez y menor conductividad térmica.
Su poliestireno extruido de alto rendimiento ofrece aislamiento a través de un producto que es duradero, versátil y resistente y resulta útil para una variedad de casos de uso en arquitectura, ingeniería y construcción. Además de sus propiedades aislantes, los materiales también son resistentes a la humedad.
Owens Corning tiene un proceso de fabricación propietario llamado Hydrovac que fabrica estas soluciones. El proceso ofrece una estructura de celdas cerradas consistente, libre de vacíos, lo que mantiene la humedad fuera mientras entrega un valor R de 5 por pulgada de espesor. En el contexto del aislamiento, el valor R es una medida de cuán bien el aislamiento de un edificio puede impedir el flujo de calor dentro y fuera del hogar. Cuanto mayor es el valor R, mayor es el rendimiento del producto aislante.
El producto tiene resistencias a la compresión que van de 15 a 100 psi y se fabrica cumpliendo la norma ASTM C5781. Podría ser la elección ideal en ensamblajes de membranas de techo protegidas (PRMA) para techos vegetales, que pueden soportar suelos húmedos y cargas. Además, es ligero, fácil de manejar y compatible con revestimientos y acabados exteriores comunes. No solo el producto ofrece hasta 13 veces más resistencia al agua que el aislamiento EPS convencional, sino que también mantiene al menos el 90 % del valor R durante 20 años.
La investigación sobre perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas (2D HOIP) que discutimos en el segmento anterior podría ofrecer a Owens Corning nuevas vías para ampliar su liderazgo en este campo.
OC Gráfico de precios
Fundada en 1938 y con sede en Toledo, Ohio, Owens Corning registró ventas netas de 9.7 mil millones de dólares en 2023.
#2. Gore
Al discutir la investigación sobre 2D HOIP, vimos que los materiales tenían el potencial de ofrecer aislamiento térmico a los componentes electrónicos. Gore, una empresa especializada en aislamiento térmico para dispositivos móviles, se beneficiará de estos materiales y de la investigación.
Gore Thermal Insulation es una solución avanzada de gestión térmica que tiene una conductividad inferior al aire. Puede aumentar la flexibilidad de diseño y la capacidad del diseñador para dirigir el calor mediante un mayor control de la conductividad térmica en el eje z. Un mejor control del eje z significa opciones superiores de dispersión que ayudan a los componentes a rendir a niveles más altos durante períodos más largos, a acomodar factores de forma cada vez más reducidos y a cumplir con los requisitos de temperatura superficial.
Además de sus sofisticadas propiedades de aislamiento térmico, la solución de Gore tiene otros beneficios de rendimiento, incluyendo su facilidad de integración y el respaldo de un equipo de ingenieros que brinda orientación de diseño e integración de modelado desde el ciclo de diseño inicial hasta la comercialización.
Fundada por Bill y Vieve Gore en 1959 y con sede en Newark, Delaware, Estados Unidos, Gore tiene unos ingresos anuales de 4.8 mil millones de dólares.
Investigación adicional sobre la dinámica entre la naturaleza de los materiales y su conductividad térmica
El aislamiento tiene un amplio rango de potencial de aplicación. Eventualmente, la mayoría de los espacios y materiales en nuestra vida cotidiana requieren protección contra el calor. Es bastante natural que no todos los tipos de materiales se adapten a cada escenario de aplicación.
Investigación sobre el rendimiento del aislamiento térmico y su impacto en la calidad del aire interior de materiales de aislamiento térmico a base de celulosa investigó varios factores que influyen en la conductividad térmica. Estos factores incluían el tipo de materia prima utilizada, los procesos de fabricación, la densidad, el contenido de humedad y la temperatura del entorno de prueba.
La investigación también señaló algunas correlaciones que serían necesarias para desarrollar materiales con propiedades aislantes superiores y únicas. Por ejemplo, se observó que la humedad impacta negativamente el rendimiento térmico. Por el contrario, un aumento de la densidad, logrado mediante la compresión del material, tendía a reducir la conductividad térmica, particularmente en materiales con huecos de aire distribuidos uniformemente.
La investigación profundizó para enumerar composiciones de productos específicas cuya performance térmica era la mejor a sus densidades naturales. Un producto estaba compuesto de acetato de celulosa, filtros de cigarrillos desechados, papel de cigarrillos desechado y papel aluminizado desechado. Otro estaba compuesto únicamente de papeles desechados.
En cuanto a la capacidad de sorción, la intensificación más evidente de la sorción se encontró en el caso del material de aislamiento térmico fabricado a partir de fibras de madera y el hecho de celulosa proveniente de cartón desechado, procesamiento deficiente y productos inhomogéneos.
La investigación se consideró útil al analizar materiales de aislamiento térmico hechos a partir de residuos agroindustriales reciclados. Estos materiales, a menudo presentes en la construcción, permanecían subdesarrollados.
La investigación que dio origen a nuestra discusión actual tenía como objetivo proteger los productos electrónicos del calor. También existen ejemplos de investigaciones realizadas en este ámbito. Un equipo de investigadores de la Universidad Xi’an Jiaotong, Xi’an, China, por ejemplo, llevó a cabo un estudio experimental sobre protección térmica activa para dispositivos electrónicos utilizados en la exploración de entornos de pozo profundo. En el siguiente segmento, profundizaremos en esa investigación y sus hallazgos.
Protección térmica activa para dispositivos electrónicos utilizados en la exploración de entornos de pozo profundo
Comencemos con qué es la exploración de entornos de pozo profundo. Es una de las áreas de aplicación más críticas de los dispositivos electrónicos, donde se utilizan los dispositivos para explotar y extraer petróleo de esquisto. El desafío surge del hecho de que es una zona de alta temperatura combinada con alta presión. Las condiciones térmicas en estos espacios pueden ser tan severas que podrían comprometer la operación segura de los componentes electrónicos. Los investigadores, en este caso, estudiaron un sistema activo de aislamiento térmico que consiste en una placa de enfriamiento anular espiral (ACP), un contenedor de almacenamiento térmico con un material de cambio de fase (PCM) y una alfombra de aerogel (AM).
El equipo midió experimentalmente el impacto de la estructura, disposición y tasa de flujo del medio de trabajo de la ACP en el rendimiento de la protección térmica. El rendimiento implicó dos parámetros: capacidad de control de temperatura y tiempo de operación del sistema.
La investigación encontró que era necesaria una capa de alfombra de aerogel y que la carcasa interna de la ACP mostraba un mejor rendimiento de protección térmica. El estudio también propuso una placa de enfriamiento anular (ACP) con flujo espiral para protección térmica híbrida con material aislante para su uso en entornos de pozo profundo.
Otro estudio, realizado en 2022 y publicado en la revista Nature, investigó sustratos protectores térmicos blandos y extensibles para electrónica portátil.
Sustratos protectores térmicos blandos y extensibles para electrónica portátil
Muchas aplicaciones médicas actuales se basan en el uso eficaz de la electrónica portátil. En ese sentido, estos productos requieren un manejo cuidadoso. Sin embargo, durante su uso, estos dispositivos pueden sobrecalentarse, provocando incomodidad térmica o daño a la piel. Un equipo de investigadores buscó materiales y estructuras que pudieran proporcionar una protección térmica avanzada.
Informaron un sustrato protector térmico blando y extensible con un diseño compuesto. Comprende el material polimérico muy popular polidimetilsiloxano con microesferas absorbentes de calor incrustadas, que consisten en materiales de cambio de fase encapsulados dentro de la cubierta de resina.
Los resultados fueron prometedores, ya que el sustrato pudo someterse a deformaciones complejas superiores al 150 % y reducir el aumento de la temperatura máxima de la piel en un 82 % o más bajo optimizaciones.
Material que mejora el rendimiento del sistema en estado estable en un Google Pixel 3XL sometido a estrés térmico
Otro ejemplo interesante de selección del material aislante térmico adecuado involucró el uso de láminas de grafito con capacidad de difusión ultra alta y láminas de aislamiento con conductividad térmica ultra baja. Estas se implementaron en un Google Pixel 3XL modificado para reducir las temperaturas de contacto (piel) de la superficie.
El despliegue se realizó para minimizar el impacto de la temperatura de unión del dispositivo en comparación con soluciones aislantes independientes como aire o grafito, al mismo tiempo que se mejoraba el rendimiento del sistema en estado estable del dispositivo. Se fabricaron cuatro soluciones térmicas únicas de espesor comparable (~350 µm) para el experimento. Posteriormente, estas soluciones fueron sometidas a pruebas de estrés térmico en el Pixel mediante 3DMark—Sling Shot Extreme.
Los resultados fueron prometedores. Las temperaturas de contacto en estado estable disminuyeron hasta 3,2 °C con un aumento de menos de 1 °C en la temperatura máxima de unión (TJ) en comparación con soluciones térmicas de componente único de grafito, aislamiento y aire.
La investigación concluyó que los compuestos de aislamiento‑grafito de alto rendimiento podrían ofrecer una utilidad significativa al potenciar arquitecturas móviles de alta potencia y delgadas. Sin embargo, la configuración de diseño óptima podría variar, ya que cada sistema electrónico móvil podría presentar desafíos térmicos únicos debido a la diversidad de potencia del sistema y el espacio disponible.
En general, la conservación del calor es una práctica que tiene un inmenso potencial para ayudarnos a alcanzar los modelos de sostenibilidad que deseamos para un futuro más verde. Cualquier investigación sobre aislamiento eficaz o gestión térmica es esencialmente investigación sobre materiales, examinando sus propiedades únicas y optimizándolas según sea necesario. Las tendencias actuales de investigación muestran que ya se está realizando suficiente trabajo en esa dirección. Los esfuerzos solo se intensificarán en los próximos días.
