Ilmu material
Penelitian Baru Menunjukkan Cara Membuat Material Efektif untuk Manajemen Termal Superior
Tambahkan Securities.io ke sumber pilihan Anda di Google
Kita sering mengenali material berdasarkan sifatnya. Namun, kemajuan yang dicapai dalam ilmu material dan teknik telah memungkinkan produksi material yang menggabungkan sifat-sifat tidak biasa, yang sering sangat kontras satu sama lain.
Dalam contoh terbaru, tim peneliti menunjukkan kemungkinan material rekayasa yang keduanya kaku dan mampu memberikan isolasi ketika terpapar panas.
Menurut Jun Liu, penulis ko‑korespondensi makalah tentang pekerjaan ini dan profesor associate teknik mesin dan dirgantara di North Carolina State University ia mengatakan hal berikut tentang keunikan penemuan dan material:
“Kami kini telah menemukan berbagai material yang sekaligus kaku dan isolator termal yang sangat baik. Selain itu, kami dapat merekayasa material tersebut sesuai kebutuhan untuk mengontrol kekakuan dan konduktivitas termalnya.”
Biasanya, material dengan modulus elastis tinggi, sebuah sifat yang terwujud melalui peningkatan kekakuan, tidak bersifat isolasi. Sebaliknya, mereka sangat konduktif secara termal.
Namun bagaimana jika kita membutuhkan material yang berfungsi sebagai isolator yang baik tanpa kehilangan kekakuannya? Material ini akan sangat berguna dalam skenario pembuatan lapisan isolasi termal untuk melindungi elektronik dari suhu tinggi.
Menyelami lebih dalam material tersebut dan menelusuri lebih jauh penelitian menunjukkan bahwa material yang diteliti merupakan sub‑set dari perovskit hibrida organik‑anorganik dua dimensi (2D HOIP). Material ini terdiri dari film tipis yang memiliki ‘lapisan organik dan anorganik yang bergantian dalam struktur kristal yang sangat teratur.’ Nilai tambahnya adalah kemampuan untuk menyesuaikan komposisi baik lapisan anorganik maupun organik.
Prosesnya melibatkan penggantian rantai karbon‑karbon pada lapisan organik material ini dengan cincin benzena. Hal ini menghasilkan skenario di mana modulus elastis dan konduktivitas termal dapat dikontrol atau diatur.
Penelitian membantu tim untuk menghasilkan setidaknya tiga material 2D HOIP yang menjadi kurang konduktif secara termal semakin kaku mereka menjadi.
Selain menghasilkan material yang kaku namun isolatif, penelitian juga memperkenalkan kiralitas ke dalam lapisan organik, yang menyiratkan bahwa kekakuan dan konduktivitas termal yang sama dapat dipertahankan tanpa harus melakukan perubahan signifikan pada komposisi lapisan organik. Kemajuan lebih lanjut dalam aspek ini dapat memastikan kemungkinan mengoptimalkan karakteristik lain dari material ini tanpa harus khawatir tentang dampak perubahan tersebut pada kekakuan atau konduktivitas termal material.
Ketika menilai potensi aplikasi nyata dari material ini, banyak perusahaan dapat memanfaatkan penelitian ini. Perusahaan-perusahaan tersebut memiliki sumber daya R&D untuk melanjutkan penelitian ini, mencobanya dalam skala lebih besar, dan mengintegrasikan manfaatnya ke dalam lini produk yang ada atau menciptakan lini produk baru sepenuhnya. Pada segmen berikut, kami membahas beberapa perusahaan tersebut dan melihat cara perusahaan-perusahaan ini dapat mengadopsi inovasi ini.
#1. Owens Corning
Lini produk Foamular milik Owens Corning (OC ) terdiri dari isolasi polistirena ekstrusi berkinerja tinggi. Busa polistirena ekstrusi memiliki sel tertutup dan menawarkan kekasaran permukaan yang lebih baik, kekakuan yang lebih tinggi, serta konduktivitas termal yang lebih rendah.
Polistirena ekstrusi berkinerja tinggi ini memberikan isolasi melalui produk yang tahan lama, serbaguna, dan tangguh, serta berguna untuk berbagai penggunaan dalam arsitektur, teknik, dan konstruksi. Selain sifat isolasinya, material ini juga tahan terhadap kelembaban.
Owens Corning memiliki proses manufaktur proprietari bernama Hydrovac yang memproduksi solusi ini. Proses tersebut menghasilkan struktur sel tertutup yang konsisten, bebas rongga, yang menahan kelembaban sekaligus memberikan nilai R sebesar 5 per inci ketebalan. Dalam konteks isolasi, nilai R adalah ukuran seberapa baik isolasi bangunan dapat mencegah aliran panas masuk dan keluar rumah. Semakin tinggi nilai R, semakin baik kinerja produk isolasi.
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.
Penelitian tentang perovskit hibrida organik‑anorganik (2D HOIP) yang kami bahas pada segmen sebelumnya dapat menawarkan Owens Corning jalur baru untuk meningkatkan kepemimpinannya di bidang ini.
OC Grafik Harga
Didirikan pada tahun 1938 dan berbasis di Toledo, Ohio, Owens Corning mencatat penjualan bersih sebesar $9,7 miliar pada tahun 2023.
#2. Gore
Saat membahas penelitian tentang 2D HOIP, kami melihat bahwa material tersebut berpotensi memberikan isolasi termal untuk material elektronik. Gore, perusahaan yang berspesialisasi dalam isolasi termal untuk perangkat seluler, akan mendapatkan manfaat dari material dan penelitian ini.
Gore Thermal Insulation adalah solusi manajemen termal canggih yang memiliki konduktivitas lebih rendah daripada udara. Ini dapat meningkatkan fleksibilitas desain dan kemampuan desainer untuk mengarahkan panas melalui kontrol yang lebih baik terhadap konduktivitas termal pada sumbu z. Kontrol yang lebih baik pada sumbu z berarti opsi penyebaran yang superior yang membantu komponen beroperasi pada level lebih tinggi untuk periode yang lebih lama, mengakomodasi faktor bentuk yang semakin kecil, dan memenuhi persyaratan suhu permukaan.
Selain sifat isolasi termal yang canggih, solusi Gore memiliki manfaat kinerja lain, termasuk kemudahan integrasi dan didukung oleh tim insinyur yang menyediakan panduan desain serta integrasi pemodelan sejak siklus desain awal hingga komersialisasi.
Didirikan oleh Bill dan Vieve Gore pada tahun 1959 dan berkantor pusat di Newark, Delaware, Amerika Serikat, Gore memiliki pendapatan tahunan sebesar US$4,8 miliar.
Penelitian Lebih Lanjut tentang Dinamika Antara Sifat Material dan Konduktivitas Termalnya
Isolasi memiliki potensi aplikasi yang luas. Pada akhirnya, sebagian besar ruang dan material dalam kehidupan sehari-hari kita memerlukan perlindungan dari panas. Hal ini wajar karena tidak semua jenis material cocok untuk setiap skenario aplikasi.
Penelitian tentang kinerja isolasi termal dan dampaknya pada kualitas udara dalam ruangan dari material isolasi termal berbasis selulosa menyelidiki berbagai faktor yang memengaruhi konduktivitas termal. Faktor-faktor tersebut meliputi jenis bahan baku yang digunakan, proses manufaktur, densitas, kadar kelembaban, dan suhu lingkungan pengujian.
Penelitian juga menunjukkan beberapa korelasi yang penting dalam mengembangkan material dengan sifat isolasi yang superior dan unik. Misalnya, penelitian mencatat bahwa kelembaban berdampak negatif pada kinerja termal. Sebaliknya, peningkatan densitas yang dicapai melalui kompresi material cenderung mengurangi konduktivitas termal, terutama pada material dengan celah udara yang terdistribusi merata.
Penelitian menyelami lebih dalam untuk mencantumkan komposisi produk spesifik yang kinerja termalnya terbaik pada densitas alami mereka. Satu produk terdiri dari selulosa asetat, filter rokok limbah, kertas rokok limbah, dan kertas beraluminium limbah. Produk lain hanya terdiri dari kertas limbah.
Ketika membahas kapasitas sorpsi, peningkatan sorpsi yang paling jelas dapat ditemukan pada material isolasi termal yang terbuat dari serat kayu dan yang terbuat dari selulosa yang berasal dari karton limbah, proses yang buruk, dan produk yang tidak homogen.
Penelitian ini dianggap berguna karena menganalisis material isolasi termal yang terbuat dari limbah agro‑industri daur ulang. Material ini, yang sering terdapat dalam bahan konstruksi, masih belum berkembang.
Penelitian yang memicu diskusi kami saat ini bertujuan melindungi barang elektronik dari panas. Ada juga contoh penelitian yang dilakukan di bidang ini. Sebuah tim peneliti dari Xi’an Jiaotong University, Xi’an, China, misalnya, melakukan studi eksperimental tentang perlindungan termal aktif untuk perangkat elektronik yang digunakan dalam eksplorasi lingkungan lubang dalam. Pada segmen berikut, kami akan menelusuri lebih dalam penelitian tersebut dan temuan‑temuannya.
Perlindungan Termal Aktif untuk Perangkat Elektronik yang Digunakan dalam Eksplorasi Lingkungan Lubang Dalam
Mari kita mulai dengan apa itu eksplorasi lingkungan lubang dalam. Ini adalah salah satu area aplikasi paling kritis bagi perangkat elektronik di mana perangkat digunakan untuk mengeksploitasi dan mengekstrak minyak serpih. Tantangannya muncul karena zona tersebut memiliki suhu tinggi yang dipadukan dengan tekanan tinggi. Kondisi termal di ruang ini dapat begitu parah sehingga dapat membahayakan operasi aman komponen elektronik. Peneliti, dalam kasus ini, meneliti sistem isolasi‑termal aktif yang terdiri dari pelat pendingin annular spiral (ACP), wadah penyimpanan termal dengan material perubahan fase (PCM), dan mat aerogel (AM).
Tim tersebut secara eksperimental mengukur dampak struktur, tata letak, dan laju aliran medium kerja ACP terhadap kinerja perlindungan panas. Kinerja mencakup dua parameter: kemampuan kontrol suhu dan waktu operasi sistem.
Penelitian menemukan bahwa lapisan mat aerogel diperlukan dan bahwa kasus ACP bagian dalam menunjukkan kinerja perlindungan termal yang lebih baik. Studi juga mengusulkan pelat pendingin annular (ACP) dengan aliran spiral untuk perlindungan termal hibrida dengan material isolasi untuk digunakan di lingkungan lubang dalam.
Studi lain, yang dilakukan pada tahun 2022 dan dipublikasikan dalam jurnal Nature, menyelidiki substrat pelindung termal yang lunak dan dapat diregangkan untuk elektronik yang dapat dipakai.
Substrat Pelindung Termal Lunak dan Dapat Diregangkan untuk Elektronik yang Dapat Dipakai
Banyak aplikasi medis saat ini didasarkan pada penggunaan efektif elektronik yang dapat dipakai. Dalam konteks ini, produk tersebut memerlukan penanganan yang hati-hati. Namun, selama operasi, perangkat ini dapat menjadi terlalu panas, menyebabkan ketidaknyamanan termal atau kerusakan pada kulit. Sebuah tim peneliti mencari material dan struktur yang dapat memberikan perlindungan termal canggih.
They reported a soft, stretchable thermal protective substrate featuring a composite design. It comprises the highly popular polymeric material polydimethylsiloxane with embedded heat-absorbing microspheres, consisting of phase change materials encapsulated inside the resin shell.
Hasilnya menjanjikan karena substrat dapat mengalami deformasi kompleks hingga lebih dari 150% dan dapat mengurangi kenaikan suhu kulit puncak sebesar 82% atau lebih dengan optimalisasi.
Material yang Meningkatkan Kinerja Sistem Steady‑State pada Google Pixel 3XL yang Terpapar Stres Termal
Contoh menarik lain dalam memilih material isolasi termal yang tepat melibatkan penggunaan foil grafit dengan kapasitas penyebaran ultra‑tinggi dan lembar isolasi dengan konduktivitas termal ultra‑rendah. Kedua material ini diterapkan pada Google Pixel 3XL yang dimodifikasi untuk mengurangi suhu sentuh (kulit) permukaan.
Penerapan dilakukan untuk meminimalkan dampak suhu sambungan perangkat dibandingkan solusi isolasi mandiri seperti udara atau grafit sekaligus meningkatkan kinerja sistem steady‑state perangkat. Empat solusi termal unik dengan ketebalan yang sebanding (~350 µm) dibuat untuk percobaan. Setelah itu, solusi tersebut diuji pada stres termal di Pixel melalui 3DMark—Sling Shot Extreme.
Hasilnya menjanjikan. Suhu sentuh steady‑state turun hingga 3,2°C dengan peningkatan kurang dari 1°C pada suhu sambungan maksimum (TJ) dibandingkan dengan solusi termal komponen tunggal berupa grafit, isolasi, dan udara.
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.
Secara keseluruhan, konservasi panas adalah praktik yang memiliki potensi besar untuk membantu kita mencapai model keberlanjutan yang diinginkan untuk masa depan yang lebih hijau. Setiap penelitian tentang isolasi atau manajemen termal pada dasarnya adalah penelitian tentang material, yang meneliti sifat uniknya dan mengoptimalkannya sesuai kebutuhan. Tren penelitian saat ini menunjukkan bahwa cukup banyak pekerjaan sudah dilakukan dalam arah tersebut. Upaya akan semakin intensif di hari‑hari mendatang.
