Nieuw onderzoek laat zien hoe effectieve materialen te bouwen voor superieur thermisch beheer

We herkennen materialen vaak op basis van hun eigenschappen. Echter hebben de vooruitgangen in materiaalkunde en engineering het mogelijk gemaakt om materialen te produceren die ongebruikelijke eigenschappen combineren, die vaak sterk met elkaar in contrast staan.

In een recent voorbeeld heeft een team onderzoekers aangetoond dat het mogelijk is om ontworpen materialen te maken die zowel stijf als in staat om isolatie te bieden wanneer ze aan hitte worden blootgesteld.

Volgens Jun Liu, co-corresponderende auteur van een paper over het werk en universitair hoofddocent mechanische en lucht- en ruimtevaarttechniek aan de North Carolina State University, had hij het volgende te zeggen over de uniekheid van de ontdekking en het materiaal:

“We hebben nu een reeks materialen ontdekt die zowel stijf als uitstekende thermische isolatoren zijn. Bovendien kunnen we de materialen naar behoefte ontwerpen om te bepalen hoe stijf en thermisch geleidend ze zijn.”

Meestal vindt men dat materialen met een hoge elasticiteitsmodulus, een eigenschap die zich uit in verhoogde stijfheid, niet isolerend zijn. Ze zijn, heel tegengesteld, sterk thermisch geleidend.

Maar wat als we materialen nodig hebben die goede isolatoren zijn zonder hun stijfheid te verliezen? Deze materialen zullen van pas komen in scenario’s waarbij thermische isolatiecoatings worden gemaakt om elektronica te beschermen tegen hoge temperaturen.

Dieper ingaan op het materiaal en meer onderzoek doen laat zien dat de materialen waar de onderzoekers aan werkten een subset vormen van de tweedimensionale hybride organisch-anorganische perovskieten (2D HOIP). Deze materialen bestaan uit dunne films met ‘afwisselende organische en anorganische lagen in een sterk geordende kristallijne structuur.’ Wat hun waarde vergroot, is dat het mogelijk is de samenstelling van zowel de anorganische als de organische laag af te stemmen.

Het proces omvat het vervangen van de koolstof-koolstofketens in de organische lagen van deze materialen door benzeenringen. Dit leidt tot een situatie waarin het mogelijk is de elasticiteitsmodulus en thermische geleidbaarheid te beheersen of te reguleren.

Het onderzoek hielp het team om ten minste drie verschillende 2D HOIP-materialen te ontwikkelen die minder thermisch geleidend werden naarmate ze stijver werden.

Naast het maken van stijve maar isolerende materialen heeft het onderzoek ook geholpen om chiraliteit in de organische lagen te introduceren, wat impliceert dat dezelfde stijfheid en thermische geleidbaarheid behouden kunnen blijven zonder substantiële wijzigingen in de samenstelling van de organische lagen. Verdere vooruitgang op dit gebied kan de mogelijkheid waarborgen om andere kenmerken van deze materialen te optimaliseren zonder zich zorgen te maken over de impact van deze veranderingen op de stijfheid of thermische geleidbaarheid van een materiaal.

Als het gaat om het beoordelen van het praktische toepassingspotentieel van deze materialen, kunnen veel bedrijven profiteren van dit onderzoek. Deze bedrijven beschikken over R&D-middelen om dit onderzoek voort te zetten, op grotere schaal uit te proberen en de voordelen te integreren in hun bestaande productlijn of een geheel nieuwe productlijn te creëren. In de volgende segmenten bespreken we een paar van deze bedrijven en bekijken we hoe zij deze innovatie kunnen toepassen.

#1. Owens Corning

De Foamular-productlijn van Owens Corning (OC ) bestaat uit hoogpresterende geëxtrudeerde polystyreenisolatie. Geëxtrudeerd polystyreenfoam bestaat uit gesloten cellen en biedt een verbeterde oppervlaktestructuur, hogere stijfheid en verminderde thermische geleidbaarheid.

Zijn hoogpresterende geëxtrudeerde polystyreen biedt isolatie via een product dat duurzaam, veelzijdig en veerkrachtig is en bruikbaar is voor diverse toepassingen in architectuur, engineering en constructie. Naast de isolerende eigenschappen zijn de materialen ook vochtbestendig.

Owens Corning heeft een eigen productieproces genaamd Hydrovac dat deze oplossingen vervaardigt. Het proces biedt een consistente gesloten-celstructuur, vrij van holtes, die vocht buiten houdt terwijl het een R-waarde van 5 per inch dikte levert. In de context van isolatie is de R-waarde een maat voor hoe goed de isolatie van een gebouw de warmteoverdracht in en uit het huis kan voorkomen. Hoe hoger de R-waarde, hoe beter de prestaties van het isolatieproduct.

Het product heeft compressieve sterktes variërend van 15 tot 100 psi en wordt vervaardigd volgens ASTM C5781. Het kan de ideale keuze zijn voor Protected Roof Membrane Assemblies (PRMA) voor vegetatieve daken, die natte bodems en belastingen kunnen weerstaan. Bovendien is het lichtgewicht, gemakkelijk te hanteren en compatibel met gangbare buitenbekleding en afwerkingen. Niet alleen biedt het product tot 13 keer meer waterbestendigheid dan conventionele EPS-isolatie, maar het behoudt ook minimaal 90% van de R-waarde gedurende 20 jaar.

Het onderzoek naar hybride organisch-anorganische perovskieten (2D HOIP) dat we in het eerdere segment bespraken, kan Owens Corning nieuwe mogelijkheden bieden om zijn leiderschap in dit gebied uit te breiden.

Opgericht in 1938 en gevestigd in Toledo, Ohio, noteerde Owens Corning een netto-omzet van $9,7 miljard in 2023.

#2. Gore

Tijdens de bespreking van het onderzoek naar 2D HOIP zagen we dat de materialen potentieel bieden voor thermische isolatie van elektronische materialen. Gore, een bedrijf dat zich specialiseert in thermische isolatie voor mobiele apparaten, zal profiteren van deze materialen en het onderzoek.

Gore Thermal Insulation is een geavanceerde thermisch beheeroplossing die een geleidbaarheid lager dan lucht heeft. Het kan de ontwerpmogelijkheden vergroten en de ontwerper in staat stellen warmte beter te sturen door meer controle over de thermische geleidbaarheid langs de z-as. Verbeterde controle over de z-as betekent superieure spreidingsopties die componenten helpen op hogere niveaus langer te presteren, krimpende vormfactoren te accommoderen en te voldoen aan oppervlaktetemperatuurvereisten.

Apart from its sophisticated thermal insulation properties, Gore’s solution has other performance benefits, including being easy to integrate and having the backing of a team of engineers that supports design guidance and modeling integration from the early design cycle through commercialization.

Opgericht door Bill en Vieve Gore in 1959 en gevestigd in Newark, Delaware, Verenigde Staten, heeft Gore een jaarlijkse omzet van US$4,8 miljard.

Vervolgonderzoek naar de dynamiek tussen de aard van materialen en hun thermische geleidbaarheid

Isolatie heeft een breed scala aan toepassingspotentieel. Uiteindelijk hebben de meeste ruimtes en materialen in ons dagelijks leven bescherming tegen hitte nodig. Het is heel logisch dat niet alle soorten materialen passen bij elk toepassingsscenario.

Research on thermal insulation performance and its impact on indoor air quality of cellulose-based thermal insulation materials investigated various factors influencing thermal conductivity. These factors included the type of raw material used, manufacturing processes, density, moisture content, and the temperature of the test environment.

Het onderzoek wees ook op enkele correlaties die noodzakelijk zijn bij het ontwikkelen van materialen met superieure en unieke isolerende eigenschappen. Bijvoorbeeld, het onderzoek merkte op dat vocht de thermische prestaties negatief beïnvloedt. Omgekeerd leidde een toename in dichtheid, bereikt door materiaalcompressie, tot een vermindering van de thermische geleidbaarheid, met name voor materialen met gelijkmatig verdeelde luchtgaten.

Het onderzoek ging dieper in op specifieke productcomposities waarvan de thermische prestaties het beste waren bij hun natuurlijke dichtheden. Eén product bestond uit celluloseacetaat, afvalsigarettenfilters, afvalsigarettenpapier en afvalgealuminiseerd papier. Een ander bestond uitsluitend uit afvalpapier.

Wat sorptiecapaciteit betreft, was de duidelijkste intensivering van sorptie te vinden bij het thermische isolatiemateriaal gemaakt van houtvezels en het materiaal gemaakt van cellulose afkomstig van afvalkarton, slechte verwerking en onhomogene producten.

Het onderzoek werd als nuttig beschouwd omdat het thermische isolatiematerialen analyseerde die gemaakt zijn van gerecycled agro‑industrieel afval. Deze materialen, vaak aanwezig in bouwmaterialen, bleven onderontwikkeld.

Het onderzoek dat onze huidige discussie heeft aangewakkerd, had als doel elektronische goederen te beschermen tegen hitte. Er zijn ook voorbeelden van onderzoek dat in dit gebied is uitgevoerd. Een team onderzoekers van de Xi’an Jiaotong University, Xi’an, China, voerde bijvoorbeeld een experimentele studie uit naar actieve thermische bescherming voor elektronische apparaten die worden gebruikt bij verkenning van diepe boorgaten. In het volgende segment gaan we dieper in op dat onderzoek en de bevindingen.

Klik hier om meer te leren over het zelfverwarmende beton dat onze wegen, aquifers en portemonnees kan helpen.

Actieve thermische bescherming voor elektronische apparaten gebruikt in verkenning van diepe boorgaten

Laten we beginnen met wat verkenning van diepe boorgaten inhoudt. Het is een van de meest kritieke toepassingsgebieden voor elektronische apparaten, waarbij apparaten worden gebruikt om schalieolie te exploiteren en te winnen. De uitdaging ontstaat doordat het een zone is met hoge temperatuur gecombineerd met hoge druk. De thermische omstandigheden in deze ruimtes kunnen zo ernstig zijn dat ze de veilige werking van elektronische componenten in gevaar kunnen brengen. De onderzoekers bestudeerden in dit geval een actief thermisch‑isolatiesysteem bestaande uit een spiraalvormige annulaire koelplaat (ACP), een thermische opslagcontainer met een fase‑veranderingsmateriaal (PCM) en een aerogele mat (AM).

Het team heeft experimenteel de impact gemeten van de structuur, indeling en doorstroomsnelheid van het werkmedium van de ACP op de warmtebeschermingsprestaties. Prestaties hielden twee parameters in: temperatuur‑regelcapaciteit en systeemtijd van werking.

Het onderzoek ontdekte dat een aerogele matlaag noodzakelijk was en dat de binnenste ACP-behuizing betere thermische beschermingsprestaties vertoonde. De studie stelde ook een annulaire koelplaat (ACP) met spiraalvormige stroming voor voor hybride thermische bescherming met isolatiemateriaal voor gebruik in diepe boorgaten.

Een andere studie, uitgevoerd in 2022 en gepubliceerd in het tijdschrift Nature, onderzocht zachte, rekbare thermische beschermende substraten voor draagbare elektronica.

Zachte, rekbare thermische beschermende substraten voor draagbare elektronica

Veel medische toepassingen van vandaag zijn gebaseerd op het effectieve gebruik van draagbare elektronica. In die zin vereisen deze producten zorgvuldige handling. Echter, tijdens operaties kunnen deze apparaten oververhit raken, waardoor thermisch ongemak of schade aan de huid ontstaat. Een team onderzoekers zocht naar materialen en structuren die geavanceerde thermische bescherming kunnen bieden.

Zij rapporteerden een zacht, rekbaar thermisch beschermend substraat met een composietontwerp. Het bestaat uit het zeer populaire polymeer polydimethylsiloxaan met ingebedde warmte‑absorberende microsferen, bestaande uit fase‑veranderende materialen ingekapseld in de harsomhulsel.

De resultaten waren veelbelovend aangezien het substraat onderworpen kon worden aan complexe vervormingen van meer dan 150% en de piektemperatuurstijging van de huid met 82% of meer kon verminderen onder optimalisaties.

Materiaal dat de stationaire systeemprestaties verbetert in een thermisch belastte Google Pixel 3XL

Een ander interessant voorbeeld van het selecteren van het juiste thermische isolatiemateriaal betrof het gebruik van grafietfolies met ultra‑hoge spreidingscapaciteit en isolatiesheets met ultra‑lage thermische geleidbaarheid. Deze werden toegepast op een aangepaste Google Pixel 3XL om de oppervlaktetouch‑ (huid‑)temperaturen te verlagen.

De implementatie werd uitgevoerd om de impact van de apparaat‑junctiontemperatuur te minimaliseren in vergelijking met zelfstandige isolatieoplossingen zoals lucht of grafiet, terwijl tevens de stationaire systeemprestaties van het apparaat werden verbeterd. Vier unieke thermische oplossingen van vergelijkbare dikte (~350 µm) werden voor het experiment vervaardigd. Vervolgens werden deze oplossingen onderworpen aan thermische stresstests in de Pixel via 3DMark—Sling Shot Extreme.

De resultaten waren veelbelovend. De stationaire touch‑temperaturen daalden met tot 3,2 °C met een <1 °C stijging in de maximale junction‑temperatuur (TJ) vergeleken met enkel‑component thermische oplossingen van grafiet, isolatie en lucht.

Het onderzoek concludeerde dat hoogpresterende isolatie‑grafietcomposieten aanzienlijke bruikbaarheid kunnen bieden bij het versterken van krachtige, dunne architecturen van mobiele elektronica. Echter, de optimale ontwerpconfiguratie kan variëren, aangezien elk mobiel elektronisch systeem unieke thermische uitdagingen kan presenteren vanwege de diversiteit in systeemvermogen en beschikbare ruimte.

Over het geheel genomen is warmtebehoud een praktijk met enorm potentieel om ons te helpen de duurzaamheidsmodellen te bereiken die we willen voor een groenere toekomst. Elk onderzoek naar effectieve isolatie of thermisch beheer is in wezen onderzoek naar materialen, waarbij hun unieke eigenschappen worden onderzocht en naar behoefte worden geoptimaliseerd. Huidige onderzoekstrends tonen aan dat er al voldoende werk in die richting wordt verricht. De inspanningen zullen de komende dagen alleen maar toenemen.

Klik hier om meer te leren over de adaptieve dakpannen die mogelijk de sleutel zijn tot het verminderen van verwarmings- en koelingsenergieverbruik.