Materiaalitiede
Uusi tutkimus näyttää tavan rakentaa tehokkaita materiaaleja huippuluokan lämmönhallintaan
Useimmiten tunnistamme materiaalit niiden ominaisuuksien perusteella. Kuitenkin materiaalitieteen ja -tekniikan saavutukset ovat mahdollistaneet materiaalien valmistamisen, jotka yhdistävät epätavallisia ominaisuuksia, jotka ovat usein jyrkästi ristiriidassa keskenään.
Viimeaikaisessa esimerkissä tutkijaryhmä osoitti mahdollisuuden suunnitella materiaaleja, jotka ovat sekä jäykkiä että kykeneviä tarjoamaan eristystä ominaisuuksia altistuessaan lämmölle.
Kerran Jun Liu, työn paperin yhteisvastuullinen tekijä ja Pohjois‑Carolinan valtionyliopiston kone‑ ja avaruustekniikan apulaisprofessori, sanoi seuraavaa löydöksen ainutlaatuisuudesta ja materiaalista:
“Olemme nyt löytäneet joukon materiaaleja, jotka ovat sekä jäykkiä että erinomaisia lämmöneristeitä. Lisäksi voimme suunnitella materiaaleja tarpeen mukaan hallitsemaan niiden jäykkyyttä ja lämmönjohtavuutta.”
Yleensä havaitaan, että materiaalit, joilla on korkea elastinen moduli, ominaisuus, joka ilmenee lisääntyneenä jäykkyytenä, eivät ole eristäviä. Päinvastoin ne ovat erittäin lämmönjohtavia.
Mutta entä jos tarvitsemme materiaaleja, jotka toimivat hyvänä eristeenä menettämättä jäykkyyttään? Nämä materiaalit ovat hyödyllisiä tilanteissa, joissa luodaan lämmöneristyskerroksia suojaamaan elektroniikkaa korkeilta lämpötiloilta.
Syventymällä materiaaliin ja tutkimalla tarkemmin tutkimusta osoittautuu, että tutkijoiden käsittelemät materiaalit ovat kahdenulotteisten hybridiorgaaninen‑inorgaanisten perovskiittien (2D HOIP) alajoukko. Nämä materiaalit koostuvat ohuista kalvoista, joissa on ‘vuorottelevia orgaanisia ja inorgaanisia kerroksia erittäin järjestäytyneessä kiteisessä rakenteessa.’ Niiden arvoa lisää se, että joko inorgaanisen tai orgaanisen kerroksen koostumusta voidaan säätää.
Prosessi sisältää hiili‑hiiliketjujen korvaamisen näiden materiaalien orgaanisissa kerroksissa bentseenirenkailla. Tämä johtaa tilanteeseen, jossa elastista modulia ja lämmönjohtavuutta voidaan hallita tai säädellä.
Tutkimus auttoi tiimiä kehittämään vähintään kolme erillistä 2D HOIP‑materiaalia, jotka muuttuvat vähemmän lämmönjohtaviksi sitä jäykemmiksi ne tulevat.
Jäykkiä mutta eristäviä materiaaleja valmistamisen lisäksi tutkimus auttoi myös kireettävyyden (kiraliteetin) tuomiseen orgaanisiin kerroksiin, mikä viittaa siihen, että sama jäykkyys ja lämmönjohtavuus voidaan säilyttää ilman merkittäviä muutoksia orgaanisten kerrosten koostumukseen. Lisäedistys tällä alueella voisi mahdollistaa näiden materiaalien muiden ominaisuuksien optimoinnin huolehtimatta siitä, miten muutokset vaikuttavat materiaalin jäykkyyteen tai lämmönjohtavuuteen.
Kun arvioidaan näiden materiaalien käytännön sovellusmahdollisuuksia, monet yritykset voivat hyötyä tästä tutkimuksesta. Näillä yrityksillä on T&K‑resurssit viedä tutkimus eteenpäin, kokeilla sitä laajemmassa mittakaavassa ja integroida sen hyödyt olemassa olevaan tuotevalikoimaansa tai luoda kokonaan uusi tuotevalikoima. Seuraavissa osioissa käsittelemme muutamia tällaisia yrityksiä ja tarkastelemme tapoja, joilla nämä yritykset voivat omaksua innovaation.
#1. Owens Corning
Owens Corningin Foamular‑tuotesarja koostuu korkean suorituskyvyn ekstrudoidusta polystyreenieristyksestä. Ekstrudoitu polystyreenivaahto koostuu suljetuista soluista ja tarjoaa parannetun pinnankarheuden, korkeamman jäykkyyden ja alennetun lämmönjohtavuuden.
Sen korkean suorituskyvyn ekstrudoitu polystyreeni tarjoaa eristystä tuotteen kautta, joka on kestävä, monikäyttöinen ja joustava, ja soveltuu kätevästi moniin käyttötarkoituksiin arkkitehtuurissa, tekniikassa ja rakentamisessa. Eristysominaisuuksiensa lisäksi materiaalit ovat myös kosteudenkestäviä.
Owens Corningilla on oma valmistusprosessi nimeltä Hydrovac, joka valmistaa nämä ratkaisut. Prosessi tarjoaa tasaisen suljetun solurakenteen, ilman onteloita, mikä pitää kosteuden poissa samalla kun se tuottaa R‑arvon 5 tuumaa kohti paksuutta. Eristyksen yhteydessä R‑arvo on mittari siitä, kuinka hyvin rakennuksen eristys estää lämmön virtauksen sisään ja ulos kodista. Mitä korkeampi R‑arvo, sitä parempi eristysmateriaalin suorituskyky.
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.
Aikaisemmin käsittelemämme hybridiorgaaninen‑inorgaaninen perovskiittien (2D HOIP) tutkimus voisi tarjota Owens Corningille uusia mahdollisuuksia vahvistaa johtajuuttaan tällä alalla.
(OC )
Vuonna 1938 perustettu ja Ohio‑osavaltiossa Toledossa sijaitseva Owens Corning kirjasi nettomyynnin 9,7 miljardia dollaria vuonna 2023.
#2. Gore
Keskustellessamme 2D HOIP -tutkimuksesta havaitsimme, että materiaalit voivat tarjota lämmöneristystä elektronisille materiaaleille. Gore, mobiililaitteiden lämmöneristykseen erikoistunut yritys, hyötyy näistä materiaaleista ja tutkimuksesta.
Gore Thermal Insulation on edistynyt lämmönhallintaratkaisu, jonka johtavuus on alhaisempi kuin ilman. Se voi lisätä suunnittelun joustavuutta ja suunnittelijan kykyä ohjata lämpöä tarkemmalla z‑akselin lämmönjohtavuuden hallinnalla. Parannettu z‑akselin hallinta tarkoittaa parempia levitysmahdollisuuksia, jotka auttavat komponentteja toimimaan korkeammilla tasoilla pidempään, mahdollistavat pienemmät muotokoot ja täyttävät pinnan lämpötilavaatimukset.
Sen kehittyneiden lämmöneristysominaisuuksien lisäksi Gore‑ratkaisu tarjoaa muita suorituskykyetuja, kuten helpon integroitavuuden ja insinööriteknisen tiimin tuen, joka tarjoaa suunnitteluopastusta ja mallinnusintegraatiota varhaisesta suunnitteluvaiheesta kaupallistamiseen asti.
Bill ja Vieve Gore perustama ja Delawaren Newarkissa, Yhdysvalloissa, sijaitseva Gore on vuosittain 4,8 miljardia dollaria tuottava yritys.
Lisätutkimus materiaalien luonteen ja niiden lämmönjohtavuuden dynamiikasta
Eristämisellä on laaja sovelluspotentiaali. Lopulta suurin osa arkipäiväisistä tiloistamme ja materiaaleistamme vaatii suojelua lämmöltä. On luonnollista, että kaikki materiaalit eivät sovi kaikkiin käyttöskenaarioihin.
Tutkimus lämmöneristyskyvystä ja sen vaikutuksesta sisäilman laatuun selluloosipohjaisissa lämmöneristysmateriaaleissa tutki erilaisia tekijöitä, jotka vaikuttivat lämmönjohtavuuteen. Näitä tekijöitä olivat käytetyn raaka‑aineen tyyppi, valmistusprosessit, tiheys, kosteuspitoisuus ja testausympäristön lämpötila.
Tutkimus osoitti myös joitakin korrelaatioita, jotka olisivat tarpeellisia kehittämään materiaaleja, joilla on ylivoimaisia ja ainutlaatuisia eristysominaisuuksia. Esimerkiksi tutkimus huomasi, että kosteus heikensi lämmön suorituskykyä. Toisaalta tiheyden kasvu, joka saavutettiin materiaalin puristuksella, vähensi lämmönjohtavuutta, erityisesti materiaaleissa, joissa on tasaisesti jakautuneet ilmaraot.
Tutkimus syventyi tarkemmin ja listasi erityisiä tuoteyhdisteitä, joiden lämmön suorituskyky oli paras niiden luonnollisessa tiheydessä. Yksi tuote koostui selluloosiasetaatista, jätteen savukkeiden suodattimista, jätteen savukkeiden paperista ja alumiinipaperista. Toinen koostui pelkästään jätteen papereista.
Kun tarkasteltiin sorptiokapasiteettia, selkein sorptiokapasiteetin vahvistus löytyi puukuituisesta lämmöneristysmateriaalista ja selluloosasta, joka oli peräisin jätteen pahvista, huonosti prosessoiduista ja epätasaisista tuotteista.
Tutkimus katsottiin hyödylliseksi, koska se analysoi kierrätysmäisestä maatalous‑teollisesta jätteestä valmistettuja lämmöneristysmateriaaleja. Nämä materiaalit, jotka ovat usein läsnä rakennusmateriaaleissa, ovat edelleen kehittymättömiä.
Tutkimus, joka käynnisti nykyisen keskustelumme, pyrki suojaamaan elektroniikkatuotteita lämmöltä. Tällaisia tutkimuksia on myös tehty. Esimerkiksi Xi’an Jiaotong Universityn, Kiinan Xi’anissa, tutkijaryhmä suoritti kokeellisen tutkimuksen aktiivisesta lämmönsuojauksesta syväkaivon ympäristön tutkimukseen käytettävissä elektronisissa laitteissa. Seuraavassa osiossa syvennymme tähän tutkimukseen ja sen tuloksiin.
Klikkaa tästä oppiaksesi itsekuumenevasta betonista, joka voi auttaa teitä, vesistöjä ja lompakoita.
Aktiivinen lämmönsuojaus syväkaivon ympäristön tutkimuksessa käytettäville elektronisille laitteille
Aloitetaan siitä, mitä syväkaivon ympäristön tutkimus on. Se on yksi kriittisimmistä elektronisten laitteiden sovellusalueista, joissa laitteita käytetään öljynhakkaan louhimiseen. Haaste syntyy siitä, että kyseessä on korkean lämpötilan ja korkean paineen alue. Lämpöolosuhteet näissä tiloissa voivat olla niin vakavia, että ne vaarantavat elektronisten komponenttien turvallisen toiminnan. Tässä tapauksessa tutkijat tutkivat aktiivista lämmön‑eristysjärjestelmää, joka koostui spiraalista rengasmaisesta jäähdytyslaitteesta (ACP), lämmön varastointisäiliöstä, jossa on faasimuutostaine (PCM), ja aerogel‑matosta (AM).
Tiimi mittasi kokeellisesti ACP:n rakenteen, asettelun ja työkeskuksen virtauksen vaikutusta lämmönsuojauksen suorituskykyyn. Suorituskyky tarkoitti kahta parametria: lämpötilan hallintakyky ja järjestelmän käyttöaika.
Tutkimus havaitsi, että aerogel‑matokerros oli välttämätön ja että sisempi ACP‑kenno näytti parempaa lämmönsuojauksen suorituskykyä. Tutkimus ehdotti myös rengasmaista jäähdytyslaitetta (ACP) spiraalivirtausmallilla hybridilämmönsuojaukselle eristysmateriaalilla, jota voidaan käyttää syväkaivon ympäristöissä.
Toinen tutkimus, joka toteutettiin vuonna 2022 ja julkaistiin Nature‑lehdessä, tutki pehmeitä, venyttäviä lämmönsuojauksia kantaville elektroniikoille.
Pehmeät, venyttävät lämmönsuojatut alustat kantaville elektroniikoille
Monet nykyiset lääketieteelliset sovellukset perustuvat kantavien elektroniikkojen tehokkaaseen käyttöön. Tässä mielessä nämä tuotteet vaativat huolellista käsittelyä. Kuitenkin käytön aikana laitteet voivat ylikuumentua, aiheuttaen lämmön epämukavuutta tai vaurioita iholle.
He raportoivat pehmeästä, venytettävästä lämmönsuojauksesta, jossa on komposiittirakenne. Se koostuu erittäin suositusta polymerimateriaalista polydimetylisiloksaan, jossa on upotettuja lämmönabsorboivia mikropalloja, jotka sisältävät faasimuutosmateriaaleja kapseloituina hartsikuoreen.
Tulokset olivat lupaavia, sillä alusta kesti yli 150 % monimutkaisia muodonmuutoksia ja pystyi vähentämään ihon huippulämpötilan nousua 82 % tai enemmän optimoinneissa.
Materiaali, joka parantaa vakaa-tilan järjestelmän suorituskykyä lämpökuormitettuna Google Pixel 3XL:ssä
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.
Asennus toteutettiin minimoimaan laitteen liitoslämpötilan vaikutus verrattuna itsenäisiin eristysratkaisuihin, kuten ilmaan tai grafiittiin, samalla kun se paransi laitteen vakaa-tilan järjestelmän suorituskykyä. Neljä ainutlaatuista lämmönratkaisua, joiden paksuus oli suunnilleen sama (~350 µm), valmistettiin kokeeseen. Tämän jälkeen nämä ratkaisut altistettiin lämmönkuormitustestille Pixelissä 3DMark—Sling Shot Extreme -ohjelmistolla.
Tulokset olivat lupaavia. Vakaa-tilan kosketuslämpötilat laskivat jopa 3,2 °C, kun maksimi‑liitoslämpötila (TJ) nousi alle 1 °C verrattuna yksikomponenttisiin lämmönratkaisuihin, kuten grafiittiin, eristykseen ja ilmaan.
The research concluded that high-performance insulation-graphite composites could offer significant utility in empowering high-powered, thin architectures of mobile electronics. However, the optimal design configuration might vary, as each mobile electronic system could present unique thermal challenges owing to its diversity of system power and available space.
Kaiken kaikkiaan lämmön säilyttäminen on käytäntö, jolla on valtava potentiaali auttaa meitä saavuttamaan kestävyysmallit, joita haluamme vihreämpää tulevaisuutta varten. Kaikki tutkimus tehokkaasta eristyksestä tai lämmönhallinnasta on pohjimmiltaan materiaalitutkimusta, jossa tarkastellaan niiden ainutlaatuisia ominaisuuksia ja optimoidaan niitä tarpeen mukaan. Nykyiset tutkimustrendit osoittavat, että riittävästi työtä on jo tehty tällä alalla. Ponnistelut vain tehostuvat tulevina päivinä.
