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.
Jun Liu, um dos autores correspondentes do estudo e professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial da Universidade Estadual da Carolina do Norte, descreveu a descoberta da seguinte forma:
“Encontramos materiais que combinam rigidez e isolamento térmico e cuja composição permite ajustar essas propriedades.”
Em muitos materiais, maior módulo elástico, que indica maior rigidez, está associado a maior condutividade térmica. Essa tendência, porém, não é uma regra universal.
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.
Os pesquisadores estudaram perovskitas híbridas orgânicas-inorgânicas bidimensionais, conhecidas como 2D HOIPs. Elas apresentam camadas orgânicas e inorgânicas alternadas em uma estrutura cristalina ordenada. Alterar sua composição permite investigar e ajustar as propriedades mecânicas e térmicas.
Ao substituir parte das cadeias de carbono das camadas orgânicas por grupos com anéis de benzeno, os pesquisadores modificaram as interações moleculares e puderam ajustar 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.
A introdução de quiralidade nas camadas orgânicas permitiu manter valores semelhantes de rigidez e condutividade térmica mesmo com mudanças substanciais na composição. Isso sugere a possibilidade de ajustar outras propriedades com menor impacto sobre o comportamento mecânico e térmico; não significa que nenhuma alteração de composição seja necessária.
A pesquisa pode interessar a empresas que desenvolvem isolamento e gerenciamento térmico. Sua integração a produtos comerciais, porém, exigiria desenvolvimento, testes em escala e avaliação de segurança. As empresas a seguir são exemplos de atuação nessas áreas, sem indicação de que já tenham adotado os materiais estudados.
#1. Owens Corning
A linha FOAMULAR da Owens Corning (OC ) utiliza espuma rígida de poliestireno extrudado, ou XPS. Sua estrutura de células fechadas combina resistência mecânica, isolamento térmico e resistência à absorção de umidade.
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.
A linha inclui produtos com resistência à compressão de 15 a 100 psi, conforme a versão, e segue a norma ASTM C578. Certos modelos são destinados a coberturas com membrana protegida, inclusive coberturas vegetadas, desde que adequadamente dimensionados. Segundo a documentação citada, a estrutura oferece elevada resistência à absorção de água, com comparações de até 13 vezes em relação ao EPS sob condições específicas, e garantia de retenção de pelo menos 90% do valor R por 20 anos, sujeita aos termos aplicáveis.
A pesquisa sobre perovskitas híbridas orgânicas-inorgânicas pode sugerir novas abordagens de isolamento. Isso não demonstra que a Owens Corning já use essas perovskitas nem que elas possam substituir diretamente os produtos de XPS.
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
As 2D HOIPs estudadas podem ser relevantes para o isolamento de dispositivos eletrônicos. A Gore atua nesse mercado, mas um possível benefício comercial dessa pesquisa dependeria de novos testes e desenvolvimento.
O isolamento térmico GORE é uma solução de gerenciamento térmico com condutividade inferior à do ar nas condições especificadas. Ao limitar o fluxo de calor na direção da espessura, ou eixo z, ele pode ajudar a direcionar o calor para outras trajetórias do projeto. Isso pode contribuir para reduzir pontos quentes na superfície e acomodar dispositivos mais finos.
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 1958, a empresa tem sede em Newark, Delaware, nos Estados Unidos. O artigo cita receita anual de US$ 4,8 bilhões no contexto histórico apresentado.
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.
Uma pesquisa sobre o desempenho de isolantes térmicos à base de celulose e seus efeitos na qualidade do ar interno examinou fatores como matéria-prima, fabricação, densidade, umidade e temperatura dos ensaios.
O estudo analisou relações entre estrutura e desempenho térmico. A umidade pode prejudicar o isolamento. A densidade e a compressão também influenciam a condução do calor, mas seus efeitos dependem da porosidade e da composição; não se deve presumir que aumentar a densidade sempre reduza a condutividade.
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.
A absorção de umidade variou entre os materiais, incluindo isolantes de fibras de madeira e de celulose obtida de papelão descartado. A qualidade do processamento e a homogeneidade também influenciam o desempenho. Esses fatores precisam ser considerados na escolha de materiais reciclados.
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
A eletrônica usada em poços profundos precisa operar sob condições severas de temperatura e pressão, inclusive em aplicações de exploração de petróleo. O estudo citado avaliou um sistema de proteção térmica com placa anular de resfriamento de escoamento espiral (ACP), recipiente com material de mudança de fase (PCM) e manta 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.
Nos ensaios, a camada de manta de aerogel contribuiu para a proteção térmica, e a configuração com a ACP posicionada internamente apresentou melhor desempenho entre os casos comparados. O trabalho propôs combinar resfriamento por escoamento espiral e isolamento para aplicações em poços profundos.
Outro estudo, publicado em 2022 na revista npj Flexible Electronics, investigou substratos flexíveis e extensíveis para proteção térmica de 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.
Nos experimentos e modelos apresentados, o substrato suportou deformações superiores a 150% e reduziu o aumento máximo da temperatura da pele em 82%, com possibilidade de melhorias por otimização. Trata-se de redução do aumento de temperatura no ensaio, não de queda de 82% na temperatura absoluta da pele.
Material que Melhora o Desempenho do Sistema em Estado Estável em um Google Pixel 3XL Sob Estresse Térmico
Outro exemplo combinou folhas de grafite, que espalham calor eficientemente no plano, com lâminas isolantes de baixa condutividade. O conjunto foi instalado em um Google Pixel 3XL modificado para reduzir a temperatura superficial de contato.
Foram fabricadas quatro soluções com espessura semelhante, de aproximadamente 350 µm, e avaliadas com o teste 3DMark — Sling Shot Extreme. O objetivo era reduzir a temperatura de contato sem elevar muito a temperatura da junção do processador.
Nos ensaios, a temperatura superficial em regime permanente caiu até 3,2 °C, com aumento inferior a 1 °C na temperatura máxima da junção (TJ), em comparação com soluções de um único componente.
O estudo concluiu que compósitos de isolamento e grafite de alto desempenho podem ser úteis em dispositivos móveis finos e potentes. A configuração ideal depende da potência, do espaço e das condições térmicas de cada aparelho, exigindo testes específicos.
O gerenciamento térmico pode contribuir para o uso eficiente de energia e para a sustentabilidade. A pesquisa em isolamento e controle do calor envolve essencialmente compreender as propriedades dos materiais e ajustá-las a cada aplicação. Os exemplos apresentados mostram o trabalho que está sendo realizado nessa direção, com oportunidades para desenvolvimento adicional.
