Ny forskning viser hvordan man kan bygge effektive materialer for overlegen termisk styring

Vi gjenkjenner ofte materialer basert på deres egenskaper. Imidlertid har fremskrittene innen materialvitenskap og ingeniørkunst gjort det mulig å produsere materialer som kombinerer uvanlige egenskaper, som ofte er i sterk kontrast til hverandre. 

I et nylig eksempel demonstrerte et forskerteam muligheten for konstruerte materialer som er både stive og i stand til å tilby isolasjon egenskaper når de utsettes for varme. 

Ifølge Jun Liu, medforfatter av en artikkel om arbeidet og førsteamanuensis i maskin- og romfartsingeniørfag ved North Carolina State University, hadde han følgende å si om oppdagelsens unikhet og materialet:

“Vi har nå oppdaget en rekke materialer som både er stive og utmerkede termiske isolatorer. Dessuten kan vi konstruere materialene etter behov for å kontrollere hvor stive og termisk ledende de er.”

Vanligvis finner man at materialer med høy elastisk modul, en egenskap som manifesterer seg gjennom økt stivhet, ikke er isolerende. De er, snarere tvert imot, svært termisk ledende. 

Men hva om vi trenger materialer som fungerer som gode isolatorer uten å miste sin stivhet? Disse materialene vil være nyttige i scenarier som involverer å lage termiske isolasjonsbelegg for å beskytte elektronikk mot høye temperaturer.

Når man går dypere inn i materialet og undersøker forskningen nærmere, viser det seg at materialene forskerne arbeidet med er en undergruppe av de todimensjonale hybride organisk‑ureiniske perovskittene (2D HOIP). Disse materialene består av tynne filmer med ‘vekslende organiske og uorganiske lag i en høyt ordnet krystallstruktur.’ Det som øker deres verdi er at det er mulig å justere sammensetningen av enten det uorganiske eller organiske laget. 

Prosessen innebærer å erstatte karbon‑karbon‑kjeder i de organiske lagene av disse materialene med benzenringer. Dette fører til et scenario hvor det er mulig å kontrollere eller regulere den elastiske modulen og den termiske ledningsevnen. 

Forskningen hjalp teamet med å komme opp med minst tre ulike 2D HOIP-materialer som ble mindre termisk ledende jo stivere de ble.

I tillegg til å lage stive, men isolerende materialer, bidro forskningen også til å introdusere kiralitet i de organiske lagene, noe som antyder at den samme stivheten og termiske ledningsevnen kan opprettholdes uten å måtte gjøre betydelige endringer i sammensetningen av de organiske lagene. Videre fremgang på dette området kan sikre muligheten til å optimalisere andre egenskaper ved disse materialene uten å bekymre seg for hvordan endringene påvirker materialets stivhet eller termiske ledningsevne. 

Når det gjelder å vurdere det praktiske anvendelsespotensialet for disse materialene, kan mange selskaper dra nytte av denne forskningen. Disse selskapene har FoU‑ressurser til å ta forskningen videre, teste den i større skala og integrere fordelene i deres eksisterende produktlinje eller skape en helt ny produktlinje. I de følgende segmentene diskuterer vi et par av slike selskaper og ser på hvordan de kan adoptere denne innovasjonen. 

#1. Owens Corning

Owens Corning (OC ) sin Foamular-produktlinje består av høyytelses ekstrudert polystyrenisolasjon. Ekstrudert polystyren-skum har lukkede celler og gir forbedret overflatesrughet, høyere stivhet og redusert termisk ledningsevne. 

Den høyytelses ekstruderte polystyrenen gir isolasjon gjennom et produkt som er holdbart, allsidig, og robust og som er praktisk for en rekke bruksområder innen arkitektur, ingeniørkunst og bygging. I tillegg til sine isolerende egenskaper er materialene også fuktresistente. 

Owens Corning har en proprietær produksjonsprosess navnet Hydrovac som produserer disse løsningene. Prosessen gir en konsistent lukk‑celle struktur, fri for hulrom, som holder fuktighet ute samtidig som den leverer en R‑verdi på 5 per tomme tykkelse. I sammenheng med isolasjon er R‑verdien et mål på hvor godt en bygnings isolasjon kan hindre varmestrøm inn og ut av huset. Jo høyere R‑verdi, desto bedre ytelse har isolasjonsproduktet. 

Produktet har kompresjonsstyrker fra 15 til 100 psi og produseres i samsvar med ASTM C5781. Det kan være det ideelle valget i Protected Roof Membrane Assemblies (PRMA) for vegetasjons tak, som kan tåle våt jord og belastninger. I tillegg er det lett, enkelt å håndtere, og kompatibelt med vanlige ytre kledning og overflater. Ikke bare gir produktet opptil 13 ganger mer motstand mot vann enn konvensjonell EPS‑isolasjon, men det beholder også minst 90 % av R‑verdien over 20 år.

Forskningen på hybride organisk‑ureiniske perovskitter (2D HOIP) som vi diskuterte i det tidligere segmentet, kan gi Owens Corning nye muligheter til å styrke sin ledelse på dette området. 

Grunnlagt i 1938 og basert i Toledo, Ohio, Owens Corning registrerte nettoomsetning på $9.7 billion i 2023.

#2. Gore

Mens vi diskuterte forskningen på 2D HOIP, så vi at materialene hadde potensial til å tilby termisk isolasjon for elektroniske materialer. Gore, et selskap som spesialiserer seg på termisk isolasjon for mobile enheter, vil dra nytte av disse materialene og forskningen.

Gore Thermal Insulation er en avansert termisk styringsløsning som har ledningsevne lavere enn luft. Den kan øke designfleksibiliteten og designerens evne til å styre varme gjennom bedre kontroll av z‑aksens termiske ledningsevne. Forbedret kontroll av z‑aksen betyr overlegne spredningsalternativer som hjelper komponenter å yte på høyere nivåer over lengre perioder, tilpasse seg krympende formfaktorer og oppfylle krav til overflatetemperatur. 

I tillegg til sine sofistikerte termiske isolasjonsegenskaper, har Gores løsning andre ytelsesfordeler, inkludert at den er enkel å integrere og har støtten fra et team av ingeniører som gir designveiledning og modellintegrasjon fra tidlig designfase gjennom kommersialisering.

Grunnlagt av Bill og Vieve Gore i 1959 og med hovedkontor i Newark, Delaware, USA, har Gore en årlig omsetning på US$4.8 billion. 

Videre forskning på dynamikken mellom materialenes natur og deres termiske ledningsevne

Isolasjon har et bredt spekter av anvendelsespotensial. Til slutt krever de fleste rom og materialer i vårt daglige liv beskyttelse mot varme. Det er ganske naturlig at ikke alle typer materialer passer til hver type anvendelsesscenario. 

Forskning på termisk isolasjonsytelse og dens påvirkning på innendørs luftkvalitet for cellulose‑baserte termiske isolasjonsmaterialer undersøkte ulike faktorer som påvirker termisk ledningsevne. Disse faktorene inkluderte type råmateriale, produksjonsprosesser, tetthet, fuktighetsinnhold og temperatur i testmiljøet.

Forskningen påpekte også noen korrelasjoner som vil være nødvendige i utviklingen av materialer med overlegne og unike isolasjonsegenskaper. For eksempel bemerket forskningen at fuktighet negativt påvirket termisk ytelse. Omvendt førte en økning i tetthet, oppnådd gjennom materialkomprimering, til redusert termisk ledningsevne, spesielt for materialer med jevnt fordelt luftrom.

Forskningen gikk dypere inn for å liste spesifikke produktkomposisjoner hvis termiske ytelse var best ved deres naturlige tetthet. Ett produkt besto av celluloseacetat, avfalls sigarettfiltre, avfalls sigarettpapir og avfalls aluminisert papir. Et annet besto kun av avfallspapir.

Når det gjaldt sorpsjonskapasitet, kunne den mest åpenbare intensiveringen av sorpsjon finnes i tilfelle av termisk isolasjonsmateriale laget av trefibre og det laget laget av cellulose fra avfallspapp, dårlig bearbeiding og uhomogene produkter.

Forskningen ble ansett som nyttig da den analyserte termiske isolasjonsmaterialer laget av resirkulert agro‑industrielt avfall. Disse materialene, som ofte finnes i byggematerialer, var fortsatt underutviklet.

Forskningen som utløste vår nåværende diskusjon hadde som mål å beskytte elektroniske varer mot varme. Det finnes også eksempler på forskning utført innen dette området. Et forskerteam fra Xi’an Jiaotong University, Xi’an, Kina, gjennomførte for eksempel en eksperimentell studie om aktiv termisk beskyttelse for elektroniske enheter brukt i dyp‑hull‑miljøutforskning. I neste segment vil vi gå dypere inn i den forskningen og dens funn.

Klikk her for å lære om selvoppvarmende betong som kan hjelpe våre veier, akviferer og lommebøker.

Aktiv termisk beskyttelse for elektroniske enheter brukt i dyp‑hull‑miljøutforskning

La oss begynne med hva dyp‑hull‑miljøutforskning er. Det er ett av de mest kritiske bruksområdene for elektroniske enheter hvor enheter brukes til å utnytte og utvinne skiferolje. Utfordringen oppstår fordi det er en sone med høy temperatur kombinert med høyt trykk. De termiske forholdene i disse områdene kan være så ekstreme at de kan true sikker drift av elektroniske komponenter. Forskerne i dette tilfellet studerte et aktivt termisk‑isolasjonssystem bestående av en spiralformet annular kjøleplate (ACP), en termisk lagringsbeholder med et fase‑endringsmateriale (PCM), og en aerogelmatte (AM). 

Teamet målte eksperimentelt påvirkningen av ACP‑struktur, oppsett og arbeidsmedium‑strømningshastighet på varmebeskyttelsesytelsen. Ytelsen indikerte to parametere: temperaturkontrollkapasitet og systemets driftstid. 

Forskningen fant at et lag med aerogelmat var nødvendig og at den indre ACP‑kassen viste bedre termisk beskyttelsesytelse. Studien foreslo også en annular kjøleplate (ACP) med spiralstrøm for hybrid termisk beskyttelse med isolasjonsmateriale for bruk i dype hullmiljøer.

En annen studie, gjennomført i 2022 og publisert i tidsskriftet Nature, undersøkte myke, strekkbare termiske beskyttelsesunderlag for bærbar elektronikk. 

Myke, strekkbare termiske beskyttelsesunderlag for bærbar elektronikk

Mange medisinske applikasjoner i dag er basert på effektiv bruk av bærbar elektronikk. I den forstand krever disse produktene forsiktig håndtering. Imidlertid kan disse enhetene under drift bli overopphetet, noe som forårsaker termisk ubehag eller skade på huden. Et forskerteam søkte etter materialer og strukturer som kunne gi avansert termisk beskyttelse. 

De rapporterte et mykt, strekkbart termisk beskyttelsesunderlag som har et komposittdesign. Det består av det svært populære polymermaterialet polydimetylsiloksan med innebygde varmeabsorberende mikrosfærer, bestående av faseendringsmaterialer innkapslet i harpiksens skall.

Resultatene var lovende ettersom underlaget kunne tåle komplekse deformasjoner på over 150 % og kunne redusere den maksimale hudtemperaturøkningen med 82 % eller mer under optimaliseringer. 

Materiale som forbedrer steady‑state systemytelse i en termisk belastet Google Pixel 3XL

Et annet interessant eksempel på valg av passende termisk isolasjonsmateriale involverte bruk av grafittfolie med ultra‑høy spredningskapasitet og isolasjonsplater med ultra‑lav termisk ledningsevne. Disse ble brukt på en modifisert Google Pixel 3XL for å redusere overflatens berørings‑ (hud‑) temperaturer.

Implementeringen ble utført for å minimere påvirkningen av enhetens overgangstemperatur sammenlignet med frittstående isolasjonsløsninger som luft eller grafitt, samtidig som den forbedret enhetens steady‑state systemytelse. Fire unike termiske løsninger med sammenlignbar tykkelse (~350 µm) ble fremstilt for eksperimentet. Deretter ble disse løsningene utsatt for termisk stresstesting i Pixel via 3DMark—Sling Shot Extreme. 

Resultatene var lovende. Steady‑state berøringstemperaturer falt med opptil 3,2 °C med en <1 °C økning i maksimal overgangstemperatur (TJ) sammenlignet med enkeltkomponent‑termiske løsninger av grafitt, isolasjon og luft.

Forskningen konkluderte med at høy‑ytelses isolasjons‑grafittkompositter kan tilby betydelig nytte i å styrke høy‑effekt, tynne arkitekturer av mobil elektronikk. Imidlertid kan den optimale designkonfigurasjonen variere, ettersom hvert mobilt elektronisk system kan presentere unike termiske utfordringer på grunn av sin variasjon i systemeffekt og tilgjengelig plass.

Alt i alt er varmekonservering en praksis som har enormt potensial til å hjelpe oss med å oppnå de bærekraftmodeller vi ønsker for en grønnere fremtid. All forskning på effektiv isolasjon eller termisk styring er i bunn og grunn forskning på materialer, som ser på deres unike egenskaper og optimaliserer dem etter behov. Nåværende forskningstrender viser at nok arbeid allerede blir gjort i den retningen. Innsatsen vil bare intensiveres i dagene som kommer. 

Klikk her for å lære om de adaptive takflisene som kan være nøkkelen til å redusere oppvarmings‑ og kjølingsenergiforbruk.