Penelitian Baru Menunjukkan Cara Membuat Material Efektif untuk Manajemen Termal Superior

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 sekaligus kaku dan mampu menghambat perpindahan panas ketika terpapar panas. 

Menurut Jun Liu, salah satu penulis korespondensi makalah ini dan profesor madya teknik mesin dan dirgantara di North Carolina State University, keunikan temuan tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut:

“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 elastisitas tinggi, yang berarti lebih kaku, bukan isolator termal yang baik. Sebaliknya, material tersebut cenderung menghantarkan panas dengan baik. 

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.

Material yang diteliti merupakan bagian dari kelompok perovskit hibrida organik–anorganik dua dimensi (2D HOIP). Material ini berbentuk film tipis dengan lapisan organik dan anorganik yang tersusun bergantian dalam struktur kristal yang sangat teratur. Komposisi kedua jenis lapisan tersebut dapat disesuaikan. 

Prosesnya melibatkan penggantian rantai karbon–karbon pada lapisan organik dengan cincin benzena. Dengan cara ini, modulus elastisitas dan konduktivitas termal dapat diatur. 

Tim menghasilkan setidaknya tiga material 2D HOIP yang konduktivitas termalnya justru menurun ketika kekakuannya meningkat.

Penelitian ini juga memperkenalkan kiralitas pada lapisan organik. Hasilnya menunjukkan bahwa kekakuan dan konduktivitas termal yang sama dapat dipertahankan tanpa perubahan besar pada komposisi lapisan tersebut. Pendekatan ini berpotensi memungkinkan penyesuaian sifat material lainnya tanpa mengubah kekakuan atau konduktivitas termalnya. 

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 insulasi polistirena ekstrusi berkinerja tinggi. Busa polistirena ekstrusi memiliki sel tertutup dan menawarkan karakteristik 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. 

Produk ini memiliki kuat tekan antara 15 hingga 100 psi dan diproduksi sesuai ASTM C5781. Produk ini dapat menjadi pilihan ideal dalam sistem membran atap terlindungi (PRMA) untuk atap vegetatif yang harus menahan tanah basah dan beban. Selain itu, produk ini ringan, mudah ditangani, serta kompatibel dengan pelapis dan lapisan akhir eksterior yang umum. Produk ini tidak hanya menawarkan ketahanan terhadap air hingga 13 kali lebih tinggi daripada insulasi EPS konvensional, tetapi juga mempertahankan setidaknya 90% nilai R selama 20 tahun.

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. 

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 dengan konduktivitas termal lebih rendah daripada udara. Solusi ini memberi perancang lebih banyak keleluasaan untuk mengarahkan panas dengan mengendalikan perpindahan panas pada sumbu z, yaitu arah menembus ketebalan material. Pengaturan tersebut membantu komponen bekerja pada tingkat kinerja yang lebih tinggi lebih lama, mendukung perangkat yang makin kecil, dan memenuhi batas 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

Insulasi termal memiliki banyak aplikasi. Berbagai ruang dan material dalam kehidupan sehari-hari membutuhkan perlindungan dari panas. Pemilihan material harus disesuaikan dengan kebutuhan, karena tidak semua material cocok untuk setiap kondisi penggunaan. 

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 tersebut mengidentifikasi komposisi produk yang memberikan kinerja termal terbaik pada densitas alaminya. Salah satunya terdiri dari selulosa asetat, limbah filter rokok, limbah kertas rokok, dan limbah kertas berlapis aluminium. Produk lainnya hanya terdiri dari limbah kertas. 

Dalam hal penyerapan kelembapan, peningkatan paling jelas ditemukan pada material insulasi berbahan serat kayu dan selulosa dari limbah karton, terutama pada bahan yang kurang terolah dan produk yang tidak homogen. 

Penelitian ini berguna karena menganalisis material insulasi termal yang dibuat dari limbah agroindustri daur ulang. Pemanfaatan material tersebut sebagai bahan konstruksi masih memerlukan pengembangan.

Penelitian awal yang dibahas bertujuan melindungi perangkat elektronik dari panas. Studi lain dari Xi’an Jiaotong University di Tiongkok, misalnya, menguji perlindungan termal aktif untuk perangkat elektronik yang digunakan dalam eksplorasi sumur dalam. Bagian berikut membahas penelitian tersebut dan temuannya.

Klik di sini untuk mempelajari tentang beton pemanas diri yang dapat membantu jalan, akuifer, dan dompet kita.

Perlindungan Termal Aktif untuk Perangkat Elektronik dalam Eksplorasi Sumur Dalam

Eksplorasi sumur dalam merupakan salah satu aplikasi penting perangkat elektronik, termasuk dalam eksplorasi dan ekstraksi minyak serpih. Tantangannya adalah suhu dan tekanan yang tinggi, yang dapat mengganggu keamanan pengoperasian komponen elektronik. Dalam studi ini, peneliti meneliti sistem perlindungan termal aktif yang terdiri dari pelat pendingin berbentuk cincin dengan aliran spiral (ACP), wadah penyimpanan panas berisi material perubahan fase (PCM), dan lembaran aerogel (AM). 

Tim mengukur secara eksperimental pengaruh struktur, penempatan, dan laju aliran fluida kerja ACP terhadap perlindungan termal. Dua parameter yang dinilai adalah kemampuan mengendalikan suhu dan lama sistem dapat beroperasi. 

Studi menemukan bahwa lapisan aerogel diperlukan dan penempatan ACP di bagian dalam memberikan perlindungan termal yang lebih baik. Peneliti mengusulkan penggunaan pelat pendingin berbentuk cincin dengan aliran spiral bersama material insulasi sebagai sistem perlindungan termal hibrida untuk lingkungan sumur dalam.

Studi lain yang diterbitkan pada tahun 2022 dalam jurnal terbitan Nature meneliti substrat pelindung termal yang lunak dan dapat diregangkan untuk perangkat elektronik yang dikenakan pada tubuh. 

Substrat Pelindung Termal Lunak dan Dapat Diregangkan untuk Elektronik Sandang

Banyak aplikasi medis memanfaatkan perangkat elektronik yang dikenakan pada tubuh. Saat beroperasi, perangkat tersebut dapat menjadi terlalu panas sehingga menimbulkan ketidaknyamanan atau merusak kulit. Karena itu, tim peneliti mencari material dan struktur yang mampu memberikan perlindungan termal lebih baik. 

Mereka melaporkan substrat pelindung termal yang lunak dan dapat diregangkan dengan desain komposit. Substrat ini terdiri atas bahan polimer yang sangat populer, polidimetilsiloksana, dengan mikrosfer penyerap panas yang tertanam di dalamnya. Mikrosfer tersebut terdiri atas bahan perubahan fase yang dibungkus dalam cangkang resin.

Hasilnya menjanjikan: substrat mampu mengalami deformasi kompleks dengan regangan lebih dari 150%. Setelah dioptimalkan, substrat dapat mengurangi kenaikan suhu puncak kulit sebesar 82% atau lebih. 

Material yang Meningkatkan Kinerja Google Pixel 3XL pada Kondisi Termal Tunak

Contoh lain pemilihan material termal adalah kombinasi lembaran grafit dengan kemampuan penyebaran panas sangat tinggi dan lembaran insulasi dengan konduktivitas termal sangat rendah. Keduanya diterapkan pada Google Pixel 3XL yang dimodifikasi untuk menurunkan suhu permukaan yang bersentuhan dengan kulit.

Tujuannya adalah mengurangi dampak pada suhu sambungan komponen dibandingkan solusi satu material, seperti udara atau grafit, sekaligus meningkatkan kinerja sistem pada keadaan tunak. Empat solusi termal dengan ketebalan sebanding, sekitar 350 µm, dibuat untuk percobaan. Solusi tersebut kemudian diuji pada Pixel menggunakan beban kerja 3DMark—Sling Shot Extreme.

Hasilnya menjanjikan. Suhu permukaan yang bersentuhan dengan kulit pada keadaan tunak turun hingga 3,2°C, sementara kenaikan suhu sambungan maksimum (TJ) kurang dari 1°C dibandingkan solusi yang hanya menggunakan grafit, insulasi, atau udara.

Penelitian tersebut menyimpulkan bahwa komposit insulasi-grafit berkinerja tinggi dapat sangat bermanfaat untuk mendukung rancangan perangkat elektronik seluler yang tipis dan berdaya tinggi. Namun, konfigurasi desain optimal dapat berbeda-beda karena setiap sistem elektronik seluler dapat menghadirkan tantangan termal tersendiri akibat perbedaan daya sistem dan ruang yang tersedia.

Secara keseluruhan, pengelolaan panas berpotensi membantu mewujudkan masa depan yang lebih berkelanjutan. Penelitian insulasi dan manajemen termal pada dasarnya mempelajari sifat material serta cara menyesuaikannya dengan kebutuhan. Tren penelitian menunjukkan bahwa banyak pekerjaan telah dilakukan ke arah tersebut, dan upaya ini diperkirakan akan terus meningkat. 

Klik di sini untuk mempelajari tentang ubin atap adaptif yang mungkin menjadi kunci mengurangi konsumsi energi pemanasan dan pendinginan.