Ciência dos materiais
Nova Pesquisa Revela Como Construir Materiais Eficazes para Gerenciamento Térmico Superior
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Frequentemente reconhecemos materiais com base em suas propriedades. No entanto, os avanços alcançados na ciência e engenharia de materiais tornaram possível produzir materiais que combinam propriedades incomuns, frequentemente em contraste marcante entre si.
Em um exemplo recente, uma equipe de pesquisadores demonstrou a possibilidade de materiais engenheirados que são ao mesmo tempo rígidos e capazes de oferecer isolamento quando expostos ao calor.
De acordo com Jun Liu, coautor correspondente de um artigo sobre o trabalho e professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial na North Carolina State University, disse o seguinte sobre a singularidade da descoberta e do material:
“Agora descobrimos uma variedade de materiais que são ao mesmo tempo rígidos e excelentes isolantes térmicos. Além disso, podemos engenheirar os materiais conforme necessário para controlar o quão rígidos e termicamente condutores eles são.”
Normalmente, observa‑se que materiais com alto módulo elástico, uma propriedade que se manifesta através de maior rigidez, não são isolantes. Eles são, ao contrário, altamente condutores térmicos.
Mas e se precisarmos de materiais que atuem como bons isolantes sem perder sua rigidez? Esses materiais serão úteis em cenários que envolvem a criação de revestimentos de isolamento térmico para proteger eletrônicos de altas temperaturas.
Aprofundando no material e investigando mais sobre a pesquisa, verifica‑se que os materiais estudados pelos pesquisadores são um subconjunto dos perovskitas híbridos orgânico‑inorgânicos bidimensionais (2D HOIP). Esses materiais consistem em filmes finos que apresentam ‘camadas orgânicas e inorgânicas alternadas em uma estrutura cristalina altamente ordenada.’ O que acrescenta valor a eles é a possibilidade de ajustar a composição tanto da camada inorgânica quanto da orgânica.
O processo envolve substituir as cadeias carbono‑carbono nas camadas orgânicas desses materiais por anéis de benzeno. Isso cria um cenário em que é possível controlar ou regular o módulo elástico e a condutividade térmica.
A pesquisa ajudou a equipe a desenvolver pelo menos três materiais 2D HOIP distintos que se tornaram menos condutores térmicos à medida que ficavam mais rígidos.
Além de produzir materiais rígidos porém isolantes, a pesquisa também ajudou a introduzir quiralidade nas camadas orgânicas, implicando que a mesma rigidez e condutividade térmica poderiam ser mantidas sem a necessidade de alterações substanciais na composição das camadas orgânicas. Avanços adicionais nesse aspecto podem garantir a possibilidade de otimizar outras características desses materiais sem se preocupar com o impacto dessas mudanças na rigidez ou condutividade térmica do material.
Ao avaliar o potencial de aplicação prática desses materiais, muitas empresas podem se beneficiar dessa pesquisa. Essas empresas possuem recursos de P&D para avançar a pesquisa, testá‑la em maior escala e integrar seus benefícios à linha de produtos existente ou criar uma nova linha de produtos. Nos segmentos a seguir, discutimos algumas dessas empresas e analisamos maneiras pelas quais elas podem adotar essa inovação.
#1. Owens Corning
A linha de produtos Foamular da Owens Corning (OC ) compreende isolamento de poliestireno extrudado de alto desempenho. A espuma de poliestireno extrudado consiste em células fechadas e oferece maior rugosidade superficial, maior rigidez e redução da condutividade térmica.
Seu poliestireno extrudado de alto desempenho oferece isolamento por meio de um produto que é durável, versátil e resiliente, sendo útil para uma variedade de casos de uso em arquitetura, engenharia e construção. Além de suas propriedades isolantes, os materiais também são resistentes à umidade.
Owens Corning tem um processo de fabricação proprietário chamado Hydrovac que fabrica essas soluções. O processo oferece uma estrutura de células fechadas consistente, livre de vazios, que impede a entrada de umidade enquanto fornece um valor R de 5 por polegada de espessura. No contexto do isolamento, o valor R é uma medida de quão bem o isolamento de um edifício pode impedir o fluxo de calor para dentro e para fora da casa. Quanto maior o valor R, melhor o desempenho do produto isolante.
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 Gráfico de preços
Fundada em 1938 e com sede em Toledo, Ohio, a Owens Corning registrou vendas líquidas de US$ 9,7 bilhões em 2023.
#2. Gore
Ao discutir a pesquisa sobre 2D HOIP, percebemos que os materiais tinham potencial para oferecer isolamento térmico a materiais eletrônicos. A Gore, empresa especializada em isolamento térmico para dispositivos móveis, se beneficiará desses materiais e da pesquisa.
A Isolamento Térmico Gore é uma solução avançada de gerenciamento térmico que tem condutividade inferior à do ar. Ela pode aumentar a flexibilidade de design e a capacidade do projetista de direcionar o calor por meio de maior controle da condutividade térmica no eixo z. Melhor controle do eixo z significa opções superiores de espalhamento que ajudam os componentes a operar em níveis mais altos por períodos mais longos, acomodam a redução dos fatores de forma e atendem aos requisitos de temperatura superficial.
Além de suas sofisticadas propriedades de isolamento térmico, a solução da Gore oferece outros benefícios de desempenho, incluindo facilidade de integração e o apoio de uma equipe de engenheiros que fornece orientação de design e integração de modelagem desde o ciclo inicial de design até a comercialização.
Fundada por Bill e Vieve Gore em 1959 e com sede em Newark, Delaware, Estados Unidos, a Gore tem uma receita anual de US$ 4,8 bilhões.
Pesquisa Adicional sobre a Dinâmica entre a Natureza dos Materiais e sua Condutividade Térmica
O isolamento tem um amplo potencial de aplicação. Eventualmente, a maioria dos espaços e materiais em nosso dia a dia requer proteção contra o calor. É bastante natural que nem todos os tipos de materiais se adequem a cada cenário de aplicação.
Pesquisa sobre desempenho de isolamento térmico e seu impacto na qualidade do ar interno de materiais de isolamento térmico à base de celulose investigaram vários fatores que influenciam a condutividade térmica. Esses fatores incluíram o tipo de matéria‑prima utilizada, processos de fabricação, densidade, teor de umidade e a temperatura do ambiente de teste.
A pesquisa também apontou algumas correlações que seriam necessárias para desenvolver materiais com propriedades isolantes superiores e únicas. Por exemplo, a pesquisa observou que a umidade impacta negativamente o desempenho térmico. Por outro lado, um aumento na densidade, alcançado por compressão do material, tende a reduzir a condutividade térmica, particularmente para materiais com lacunas de ar distribuídas uniformemente.
A pesquisa aprofundou-se para listar composições de produtos específicos cujo desempenho térmico era o melhor em suas densidades naturais. Um produto continha acetato de celulose, filtros de cigarro descartados, papel de cigarro descartado e papel aluminizado descartado. Outro continha apenas papéis descartados.
Quanto à capacidade de sorção, a intensificação mais óbvia de sorção pôde ser encontrada no caso do material de isolamento térmico feito de fibras de madeira e daquele feito de celulose proveniente de papelão descartado, processamento deficiente e produtos inhomogêneos.
A pesquisa foi considerada útil ao analisar materiais de isolamento térmico feitos de resíduos agroindustriais reciclados. Esses materiais, frequentemente presentes em materiais de construção, permaneciam subdesenvolvidos.
A pesquisa que originou nossa discussão atual visava proteger bens eletrônicos do calor. Existem também exemplos de pesquisas realizadas nessa área. Uma equipe de pesquisadores da Universidade Xi’an Jiaotong, Xi’an, China, por exemplo, conduziu um estudo experimental sobre proteção térmica ativa para dispositivos eletrônicos usados em exploração de ambientes de poço profundo. No próximo segmento, aprofundaremos essa pesquisa e suas descobertas.
Proteção Térmica Ativa para Dispositivos Eletrônicos Usados em Exploração de Ambientes de Poço Profundo
Comecemos com o que é a exploração de ambientes de poço profundo. É uma das áreas de aplicação mais críticas de dispositivos eletrônicos, nos quais os dispositivos são usados para explorar e extrair óleo de xisto. O desafio surge do fato de ser uma zona de alta temperatura combinada com alta pressão. As condições térmicas nesses espaços podem ser tão severas que podem comprometer a operação segura dos componentes eletrônicos. Os pesquisadores, neste caso, estudaram um sistema ativo de isolamento térmico composto por uma placa de resfriamento anular espiral (ACP), um contêiner de armazenamento térmico com material de mudança de fase (PCM) e um tapete de aerogel (AM).
A equipe mediu experimentalmente o impacto da estrutura, layout e taxa de fluxo do meio de trabalho da ACP no desempenho de proteção térmica. O desempenho implicava dois parâmetros: capacidade de controle de temperatura e tempo de operação do sistema.
A pesquisa constatou que uma camada de tapete de aerogel era necessária e que o caso interno da ACP apresentava melhor desempenho de proteção térmica. O estudo também propôs uma placa de resfriamento anular (ACP) com fluxo espiral para proteção térmica híbrida com material isolante para uso em ambientes de poço profundo.
Outro estudo, conduzido em 2022 e publicado na revista Nature, investigou substratos térmicos protetores flexíveis e elásticos para eletrônicos vestíveis.
Substratos Térmicos Protetores Flexíveis e Elásticos para Eletrônicos Vestíveis
Muitas aplicações médicas hoje são baseadas no uso eficaz de eletrônicos vestíveis. Nesse sentido, esses produtos requerem manuseio cuidadoso. No entanto, durante as operações, esses dispositivos podem superaquecer, causando desconforto térmico ou danos à pele. Uma equipe de pesquisadores buscou materiais e estruturas que pudessem fornecer proteção térmica avançada.
Eles relataram um substrato térmico protetor flexível e elástico com design composto. Ele compreende o material polimérico altamente popular polidimetilsiloxano com microesferas absorventes de calor incorporadas, consistindo em materiais de mudança de fase encapsulados dentro da casca de resina.
Os resultados foram promissores, pois o substrato pôde ser submetido a deformações complexas superiores a 150% e reduziu o aumento da temperatura da pele em até 82% ou mais sob otimizações.
Material que Melhora o Desempenho do Sistema em Estado Estável em um Google Pixel 3XL Sob Estresse Térmico
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.
The deployment was carried out to minimize the impact of the device junction temperature compared to standalone insulating solutions like air or graphite while also enhancing the device’s steady-state system performance. Four unique thermal solutions of comparable thickness (~350 µm) were fabricated for the experiment. Afterward, these solutions were subjected to thermal stress testing in the Pixel via 3DMark—Sling Shot Extreme.
The results were promising. The steady-state touch temperatures came down by up to 3.2°C with a <1°C increase in max junction temperature (TJ) when compared with single-component thermal solutions of graphite, insulation, and air.
The research concluded that high-performance insulation-graphite composites could offer significant utility in empowering high-powered, thin architectures of mobile electronics. However, the optimal design configuration might vary, as each mobile electronic system could present unique thermal challenges owing to its diversity of system power and available space.
Overall, heat conservation is a practice that has immense potential to help us achieve the models of sustainability we want for a greener future. Any research on effective insulation or thermal management is essentially research on materials, looking into their unique properties and optimizing them as needed. Current research trends show that enough work is already being done in that direction. The efforts will only intensify in the days to come.
