材料科学
新しい研究が優れた熱管理のための効果的な材料構築方法を示す
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私たちはしばしば材料をその特性に基づいて認識します。しかし、材料科学と工学の進歩により、互いに対照的であることが多い異常な特性を組み合わせた材料を製造することが可能になりました。
最近の例では、研究者チームが、熱にさらされたときに硬くかつ断熱性を提供できる特性を持つ設計材料の可能性を実証しました。
によればノースカロライナ州立大学の機械・航空宇宙工学の准教授であり、本研究に関する論文の共同責任著者であるJun Liuは、発見の独自性について次のように述べましたそして材料について：
「我々は現在、硬くて優れた熱絶縁体である材料の範囲を発見しました。さらに、必要に応じて材料を設計し、硬さと熱伝導性を制御できるようにしています。」
通常、高い弾性率（すなわち剛性の増加）を持つ材料は絶縁性がなく、むしろ高い熱伝導性を示します。
しかし、剛性を失わずに優れた断熱材として機能する材料が必要だとしたらどうでしょうか？このような材料は、電子機器を高温から保護する熱絶熱コーティングの作成シナリオで役立ちます。
材料をさらに掘り下げ、研究について詳しく調べると、研究者が取り組んだ材料は二次元ハイブリッド有機-無機ペロブスカイト（2D HOIP）のサブセットであることが分かります。これらの材料は、’高度に秩序化された結晶構造で有機層と無機層が交互に配置された’薄膜で構成されています。その価値は、無機層または有機層の組成を調整できる点にあります。
このプロセスは、これらの材料の有機層にある炭素-炭素鎖をベンゼン環に置換することを含みます。これにより弾性率と熱伝導率を制御または調整できる状況が実現します。
研究はチームが考案するのを助けた少なくとも3つの異なる2D HOIP材料を、剛性が高くなるほど熱伝導率が低下するように開発しました。
硬くて断熱性のある材料を作ることに加えて、研究は有機層にキラリティを導入することにも成功し、同じ剛性と熱伝導率を維持できることを示唆しています有機層の組成を大幅に変更することなく。この分野でのさらなる進展は、材料の他の特性を最適化する可能性を確保し、これらの変化が材料の剛性や熱伝導率に与える影響を心配する必要がなくなるでしょう。
これらの材料の実際の応用可能性を評価する際、多くの企業がこの研究から利益を得ることができます。これらの企業は研究を推進し、より大規模に試験し、その利点を既存の製品ラインに統合するか、全く新しい製品ラインを創出するためのR&Dリソースを持っています。以下のセクションでは、そのような企業のいくつかを取り上げ、このイノベーションを採用する方法を検討します。
#1. Owens Corning
Owens CorningのFoamular製品ラインは、高性能の押出ポリスチレン断熱材で構成されています。押出ポリスチレンフォームは閉じたセルで構成され、表面粗さの改善、剛性の向上、熱伝導率の低減を提供します。
その高性能押出ポリスチレンは、耐久性があり、多用途で弾力性があるという製品を通じて断熱を提供し、建築、工学、建設のさまざまな使用ケースに便利です。断熱特性に加えて、材料は耐湿性もあります。
Owens Corning は独自の製造プロセスを持っています (OC ) named Hydrovac that manufactures these solutions. このプロセスは、空隙のない一貫した閉セル構造を提供し、湿気を遮断しながら、厚さ1インチあたりR値5を実現します。 断熱の文脈では、R値は建物の断熱が熱の出入りをどれだけ防げるかの指標です。R値が高いほど、断熱製品の性能が向上します。
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.
The research on hybrid organic-inorganic perovskites (2D HOIP) we discussed in the earlier segment could offer Owens Corning new avenues to augment its leadership in this space.
OC 価格チャート
1938年に設立され、オハイオ州トレドに本拠を置くOwens Corningは2023年に売上高9.7億ドルを記録しました。
#2. Gore
2D HOIPに関する研究を議論する中で、これらの材料が電子機器に対する熱断熱を提供する可能性があることが分かりました。モバイルデバイス向け熱断熱を専門とするGoreは、これらの材料と研究から利益を得るでしょう。
Gore Thermal Insulationは高度な熱管理ソリューションですで、空気よりも低い熱伝導率を持ちます。設計の柔軟性と設計者が熱をz軸方向の熱伝導率をより細かく制御できる能力を向上させます。z軸の制御が改善されることで、部品が長時間にわたり高レベルで動作し、形状が小型化することに対応し、表面温度要件を満たす優れた拡散オプションが提供されます。
高度な熱断熱特性に加えて、Goreのソリューションは、統合が容易であることや、設計指針とモデリング統合を初期設計段階から商業化まで支援するエンジニアチームのバックアップがあることなど、他の性能上の利点もあります。
1959年にBillとVieve Goreによって設立され、米国デラウェア州ニューアークに本社を置くGoreの年間収益は48億米ドルです.
材料の性質と熱伝導率の関係に関するさらなる研究
断熱は幅広い応用可能性を持っています。最終的に、私たちの日常生活のほとんどの空間や材料は熱からの保護が必要です。すべての材料がすべての用途シナリオに適合するわけではないのは自然なことです。
熱断熱性能に関する研究 およびセルロース系熱断熱材料の室内空気質への影響は、熱伝導率に影響を与えるさまざまな要因を調査しました。これらの要因には、使用された原料の種類、製造プロセス、密度、含水率、テスト環境の温度が含まれます。
研究は、優れた独自の断熱特性を持つ材料の開発に必要な相関関係も指摘しました。例えば、湿気が熱性能に悪影響を与えることが示されました。逆に、材料の圧縮によって密度が増加すると、特に均一に分布した空隙を持つ材料において熱伝導率が低下する傾向が見られました。
研究はさらに掘り下げ、自然密度で熱性能が最も優れている特定の製品組成を列挙しました。ある製品はセルロース酢酸エステル、廃タバコフィルター、廃タバコ紙、廃アルミニウム紙で構成されていました。別の製品は廃紙のみで構成されていました。
吸着容量に関しては、最も顕著な吸着の強化は次のケースで見られました木繊維から作られた熱断熱材料と、廃紙板から得られるセルロースで作られた材料で、加工が不十分で不均一な製品です。
The research was deemed useful as it analyzed thermal insulation materials made from recycled agro-industrial waste. These materials, often present in construction materials, remained underdeveloped.
現在の議論のきっかけとなった研究は、電子機器を熱から保護することを目的としていました。この分野で実施された研究例もあります。例えば、中国・西安の西安交通大学の研究チームは、深井環境探査で使用される電子機器のための能動的熱保護に関する実験的研究を行いました。次のセクションでは、その研究と結果を詳しく掘り下げます。
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深井環境探査で使用される電子機器の能動的熱保護
まず、深井環境探査とは何かを説明します。これは、デバイスがシェール油の採掘と抽出に使用される、電子機器の最も重要な応用分野の一つです。が使用されるという事実から課題が生じます。高温と高圧が同時に存在する領域です。これらの空間の熱条件は非常に厳しく、電子部品の安全な動作を危うくする可能性があります。このケースの研究者は、能動的熱絶縁システムを研究しましたそれは、スパイラル環状冷却プレート（ACP）、相変化材料（PCM）を備えた熱貯蔵容器、そしてエアロゲルマット（AM）で構成されています。
チームは実験的に、ACPの構造、配置、作動媒体の流量が熱保護性能に与える影響を測定しました。性能は2つのパラメータ、温度制御能力とシステム稼働時間を意味しました。
研究は、エアロゲルマット層が必要であり、内部のACPケースがより優れた熱保護性能を示すことを発見しました。また、深井環境で使用するハイブリッド熱保護のために、螺旋流を備えた環状冷却プレート（ACP）を提案しました。
2022年に実施され、Nature誌に掲載された別の研究では、ウェアラブルエレクトロニクス向けの柔軟で伸縮性のある熱保護基板を調査しました。
ウェアラブルエレクトロニクス向け柔軟・伸縮性熱保護基板
現在、多くの医療用途はウェアラブルエレクトロニクスの効果的な利用に基づいています。その意味で、これらの製品は慎重な取り扱いが必要です。しかし、使用中にデバイスが過熱し、熱的不快感や皮膚への損傷を引き起こす可能性があります。研究チームは、先進的な熱保護を提供できる材料と構造を探求しました。
They reported a 柔軟で伸縮性のある熱保護基板は、複合設計を特徴としています。広く使用されている高分子材料ポリジメチルシロキサンに、樹脂シェル内に封入された相変化材料を含む熱吸収性ミクロ球体が埋め込まれています。
結果は有望で、基板は150％以上の複雑な変形に耐え、最適化下で皮膚表面温度上昇を82％以上削減できました。
熱ストレス下のGoogle Pixel 3XLにおける定常状態システム性能を向上させる材料
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.
この導入は、空気やグラファイトなどの単独絶熱ソリューションと比較してデバイスの接合温度への影響を最小化し、同時にデバイスの定常状態システム性能を向上させるために行われました。実験のために、厚さが約350 µmで同等の4つの独自の熱ソリューションが製造されました。その後、これらのソリューションは3DMark—Sling Shot Extremeを用いてPixelで熱ストレステストが実施されました。
結果は有望でした。定常状態のタッチ温度は、単一成分のグラファイト、絶熱、空気の熱ソリューションと比較して、最大接合温度（TJ）の増加が1°C未満で、最大3.2°C低下しました。
The 研究は、高性能絶熱-グラファイト複合材がモバイルエレクトロニクスの高出力で薄型アーキテクチャを支援する上で重要な有用性を提供できると結論付けましたしかし、最適な設計構成は変わる可能性があり、各モバイルエレクトロニクスシステムはシステム電力と利用可能なスペースの多様性に起因する独自の熱課題を呈する可能性があります。
全体として、熱保存は、より緑の未来のために求める持続可能性のモデルを実現するために大きな可能性を持つ実践です。 効果的な断熱や熱管理に関する研究は 本質的に材料に関する研究であり、独自の特性を調査し、必要に応じて最適化することです。現在の研究動向は、すでに十分な作業が 行われていることを示しています。 この取り組みは今後さらに強化されるでしょう。
