Nuove Ricerche Mostrano Come Realizzare Materiali Efficaci per una Gestione Termica Superiore

Spesso riconosciamo i materiali in base alle loro proprietà. Tuttavia, i progressi raggiunti nella scienza e ingegneria dei materiali hanno reso possibile produrre materiali che combinano proprietà insolite, spesso in netto contrasto tra loro. 

In un esempio recente, un team di ricercatori ha dimostrato la possibilità di materiali ingegnerizzati che sono sia rigidi sia in grado di offrire isolamento quando esposti al calore. 

Secondo Jun Liu, co‑autore corrispondente di un articolo sul lavoro e professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la North Carolina State University, ha dichiarato quanto segue riguardo all’unicità della scoperta e del materiale:

“Abbiamo ora scoperto una gamma di materiali che sono sia rigidi sia eccellenti isolanti termici. Inoltre, possiamo ingegnerizzare i materiali secondo necessità per controllare quanto siano rigidi e termicamente conduttivi.”

Di solito, si riscontra che i materiali con alto modulo elastico, una proprietà che si manifesta attraverso una maggiore rigidità, non sono isolanti. Al contrario, sono altamente conduttivi termicamente. 

Ma se avessimo bisogno di materiali che fungano da buoni isolanti senza perdere la loro rigidità? Questi materiali saranno utili in scenari che prevedono la creazione di rivestimenti isolanti termici per proteggere l’elettronica da alte temperature.

Approfondendo il materiale e indagando ulteriormente sulla ricerca, si scopre che i materiali su cui hanno lavorato i ricercatori sono una sottoinsieme dei perovskiti ibridi organico‑inorganici bidimensionali (2D HOIP). Questi materiali consistono in film sottili composti da ‘strati organici e inorganici alternati in una struttura cristallina altamente ordinata.’ Ciò che aggiunge valore è la possibilità di regolare la composizione sia dello strato inorganico sia di quello organico. 

Il processo prevede la sostituzione delle catene carbonio‑carbonio negli strati organici di questi materiali con anelli benzenici. Questo porta a uno scenario in cui è possibile controllare o regolare il modulo elastico e la conduttività termica. 

La ricerca ha aiutato il team a ideare almeno tre distinti materiali 2D HOIP che diventavano meno conduttivi termicamente man mano che aumentava la loro rigidità. 

Oltre a realizzare materiali rigidi ma isolanti, la ricerca ha anche contribuito a introdurre la chiralità negli strati organici, implicando che la stessa rigidità e conduttività termica potrebbero essere mantenute senza dover apportare cambiamenti sostanziali alla composizione degli strati organici. Ulteriori progressi in questo ambito potrebbero garantire la possibilità di ottimizzare altre caratteristiche di questi materiali senza preoccuparsi dell’impatto di tali modifiche sulla rigidità o sulla conduttività termica del materiale. 

Quando si valuta il potenziale di applicazione pratica di questi materiali, molte aziende possono trarre beneficio da questa ricerca. Queste aziende dispongono delle risorse di R&S per portare avanti la ricerca, provarla su scala più ampia e integrare i suoi benefici nella loro linea di prodotti esistente o creare una nuova linea di prodotti. Nei segmenti seguenti, discuteremo un paio di queste aziende e analizzeremo i modi in cui possono adottare questa innovazione. 

#1. Owens Corning

La linea Foamular di Owens Corning (OC ) comprende isolamenti in polistirene estruso ad alte prestazioni. La schiuma di polistirene estruso è costituita da celle chiuse e offre una migliore rugosità superficiale, maggiore rigidità e ridotta conduttività termica. 

Il suo polistirene estruso ad alte prestazioni offre isolamento attraverso un prodotto che è durevole, versatile e resiliente e si rivela utile per una vasta gamma di casi d’uso in architettura, ingegneria e costruzione. Oltre alle sue proprietà isolanti, i materiali sono anche resistenti all’umidità. 

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.

La ricerca sui perovskiti ibridi organico‑inorganici (2D HOIP) di cui abbiamo discusso nella sezione precedente potrebbe offrire a Owens Corning nuove opportunità per potenziare la sua leadership in questo settore. 

Fondata nel 1938 e con sede a Toledo, Ohio, Owens Corning ha registrato vendite nette di $9.7 billion in 2023.

#2. Gore

Durante la discussione della ricerca sui 2D HOIP, abbiamo visto che i materiali avevano il potenziale di offrire isolamento termico ai materiali elettronici. Gore, un’azienda specializzata nell’isolamento termico per dispositivi mobili, trarrà beneficio da questi materiali e dalla ricerca.

Gore Thermal Insulation è una soluzione avanzata di gestione termica che ha una conduttività inferiore a quella dell’aria. Può aumentare la flessibilità del design e la capacità del progettista di dirigere il calore attraverso un maggiore controllo della conduttività termica sull’asse z. Un miglior controllo dell’asse z significa opzioni di diffusione superiori che aiutano i componenti a funzionare a livelli più alti per periodi più lunghi, ad adattarsi a fattori di forma sempre più ridotti e a soddisfare i requisiti di temperatura superficiale. 

Oltre alle sue sofisticate proprietà di isolamento termico, la soluzione di Gore offre altri vantaggi prestazionali, tra cui la facilità di integrazione e il supporto di un team di ingegneri che fornisce indicazioni di progettazione e integrazione della modellazione fin dalle prime fasi di progettazione fino alla commercializzazione. 

Fondata da Bill e Vieve Gore nel 1959 e con sede a Newark, Delaware, United States, Gore ha un fatturato annuo di US$4.8 billion. 

Ulteriori Ricerche sulla Dinamica tra la Natura dei Materiali e la loro Conduttività Termica

L’isolamento ha un ampio potenziale di applicazione. Alla fine, la maggior parte degli spazi e dei materiali nella nostra vita quotidiana richiedono protezione dal calore. È naturale che non tutti i tipi di materiali si adattino a ogni scenario di applicazione. 

Ricerca sulle prestazioni dell’isolamento termico e il suo impatto sulla qualità dell’aria interna dei materiali isolanti termici a base di cellulosa ha investigato vari fattori che influenzano la conduttività termica. Questi fattori includevano il tipo di materia prima utilizzata, i processi di produzione, la densità, il contenuto di umidità e la temperatura dell’ambiente di prova.

La ricerca ha anche evidenziato alcune correlazioni che si dimostreranno necessarie nello sviluppo di materiali con proprietà isolanti superiori e uniche. Per esempio, la ricerca ha notato che l’umidità influisce negativamente sulle prestazioni termiche. Al contrario, un aumento della densità, ottenuto tramite compressione del materiale, tendeva a ridurre la conduttività termica, in particolare per i materiali con spazi d’aria distribuiti uniformemente.

La ricerca è andata più a fondo elencando composizioni di prodotti specifici la cui prestazione termica era la migliore alle loro densità naturali. Un prodotto comprendeva acetato di cellulosa, filtri di sigarette di scarto, carta di sigarette di scarto e carta alluminizzata di scarto. Un altro comprendeva solo carta di scarto. 

Per quanto riguarda la capacità di assorbimento, l’intensificazione più evidente dell’assorbimento si poteva trovare nel caso del materiale isolante termico realizzato con fibre di legno e quello realizzato con cellulosa proveniente da cartone di scarto, scarsa lavorazione e prodotti eterogenei. 

La ricerca è stata ritenuta utile poiché ha analizzato materiali isolanti termici realizzati da rifiuti agro‑industriali riciclati. Questi materiali, spesso presenti nei materiali da costruzione, sono rimasti poco sviluppati.

La ricerca che ha innescato la nostra attuale discussione mirava a proteggere i prodotti elettronici dal calore. Esistono anche esempi di ricerche condotte in questo ambito. Un team di ricercatori dell’Università Xi’an Jiaotong, Xi’an, Cina, ha, ad esempio, condotto uno studio sperimentale sulla protezione termica attiva per dispositivi elettronici utilizzati nell’esplorazione di ambienti profondi di pozzo. Nel segmento successivo, approfondiremo quella ricerca e i suoi risultati.

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Protezione Termica Attiva per Dispositivi Elettronici Utilizzati nell’Esplorazione di Ambienti Profondi di Pozzo

Iniziamo con cosa sia l’esplorazione di ambienti profondi di pozzo. È una delle aree di applicazione più critiche per i dispositivi elettronici, in cui i dispositivi sono utilizzati per sfruttare ed estrarre petrolio da scisto. La sfida nasce dal fatto che si tratta di una zona ad alta temperatura combinata con alta pressione. Le condizioni termiche in questi spazi possono essere così severe da mettere a repentaglio il funzionamento sicuro dei componenti elettronici. I ricercatori, in questo caso, studied an active thermal−insulation system consisting of a spiral annular cooling plate (ACP), a thermal storage container with a phase−change material (PCM), and an aerogel mat (AM). 

Il team ha misurato sperimentalmente l’impatto della struttura, del layout e del flusso del mezzo di lavoro della ACP sulle prestazioni di protezione termica. Le prestazioni implicavano due parametri: capacità di controllo della temperatura e tempo di funzionamento del sistema. 

La ricerca ha scoperto che era necessaria una strato di tappetino aerogel e che il caso interno della ACP mostrava migliori prestazioni di protezione termica. Lo studio ha inoltre proposto una piastra di raffreddamento anulare (ACP) con flusso a spirale per protezione termica ibrida con materiale isolante per uso in ambienti profondi di pozzo.

Un altro studio, condotto nel 2022 e pubblicato sulla rivista Nature, ha investigato substrati termici protettivi morbidi e allungabili per elettronica indossabile. 

Sottostrati Termici Protettivi Morbidi e Allungabili per Elettronica Indossabile

Molte applicazioni mediche oggi si basano sull’uso efficace di elettronica indossabile. In tal senso, questi prodotti richiedono una manipolazione attenta. Tuttavia, durante le operazioni, questi dispositivi potrebbero surriscaldarsi, causando disagio termico o danni alla pelle. Un team di ricercatori ha cercato materiali e strutture che potessero fornire una protezione termica avanzata. 

Hanno riportato un substrato termico protettivo morbido e allungabile caratterizzato da un design composito. Comprende il materiale polimerico molto popolare polidimetilsilossano con microsfere assorbenti di calore incorporate, costituite da materiali a cambiamento di fase incapsulati all’interno del guscio di resina.

I risultati sono stati promettenti poiché il substrato poteva essere soggetto a deformazioni complesse superiori al 150% e poteva ridurre l’aumento della temperatura cutanea di picco dell’82% o più sotto ottimizzazioni. 

Materiale che Migliora le Prestazioni del Sistema in Stato Stazionario in un Google Pixel 3XL Sottoposto a Stress Termico

Un altro esempio interessante di selezione del materiale isolante termico appropriato ha coinvolto l’uso di fogli di grafite con capacità di diffusione ultra‑alta e fogli isolanti con conduttività termica ultra‑bassa. Questi sono stati installati su un Google Pixel 3XL modificato per ridurre le temperature di contatto (cutanee) della superficie.

L’installazione è stata effettuata per minimizzare l’impatto della temperatura di giunzione del dispositivo rispetto a soluzioni isolanti autonome come aria o grafite, migliorando al contempo le prestazioni del sistema in stato stazionario del dispositivo. Sono state fabbricate quattro soluzioni termiche uniche di spessore comparabile (~350 µm) per l’esperimento. Successivamente, queste soluzioni sono state sottoposte a test di stress termico nel Pixel tramite 3DMark—Sling Shot Extreme.

I risultati sono stati promettenti. Le temperature di contatto in stato stazionario sono diminuite fino a 3,2 °C con un aumento inferiore a 1 °C della temperatura massima di giunzione (TJ) rispetto a soluzioni termiche monocomponente di grafite, isolamento e aria.

La ricerca ha concluso che i compositi di isolamento‑grafite ad alte prestazioni potrebbero offrire un’utilità significativa nel potenziare architetture sottili e ad alta potenza di elettronica mobile. Tuttavia, la configurazione di design ottimale potrebbe variare, poiché ogni sistema elettronico mobile potrebbe presentare sfide termiche uniche a causa della diversità di potenza del sistema e dello spazio disponibile.

In generale, la conservazione del calore è una pratica che ha un enorme potenziale per aiutarci a raggiungere i modelli di sostenibilità che desideriamo per un futuro più verde. Qualsiasi ricerca su isolamento efficace o gestione termica è essenzialmente ricerca sui materiali, che ne esamina le proprietà uniche e le ottimizza secondo necessità. Le tendenze attuali della ricerca mostrano che già si sta facendo abbastanza lavoro in questa direzione. Gli sforzi si intensificheranno solo nei prossimi giorni. 

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