Bagong Pananaliksik Ipinapakita ang Paraan sa Paggawa ng Epektibong Materyales para sa Mas Mataas na Pamamahala ng Init

Madalas nating kinikilala ang mga materyales batay sa kanilang mga katangian. Gayunpaman, ang mga pag-unlad na nakamit sa agham at inhinyeriya ng materyales ay nagbigay-daan upang makagawa ng mga materyales na nagsasama ng hindi pangkaraniwang mga katangian, na kadalasang lubhang magkasalungat sa isa’t isa.

Sa isang kamakailang halimbawa, isang pangkat ng mga mananaliksik ang nagpakita ng posibilidad ng mga inhenyerong materyales na parehong matigas at may kakayahang magbigay ng insulasyon kapag na-expose sa init. 

Ayon kay Jun Liu, co-corresponding author ng isang papel tungkol sa gawa at associate professor ng mechanical at aerospace engineering sa North Carolina State University, sinabi niya ang sumusunod tungkol sa pagiging natatangi ng tuklas at ng materyal:

“Natuklasan na namin ngayon ang isang hanay ng mga materyales na parehong matigas at mahusay na mga insulador ng init. Bukod pa rito, maaari naming i-ingenyero ang mga materyales ayon sa pangangailangan upang kontrolin kung gaano sila katigas at kung gaano sila ka-konduktibo sa init.”

Karaniwan, natatagpuan na ang mga materyales na may mataas na elastic modulus, isang katangiang nagpapakita ng pagtaas ng katigasan, ay hindi insulante. Sa halip, sila ay lubos na konduktibo sa init. 

Ngunit paano kung kailangan natin ng mga materyales na magsisilbing mahusay na insulante nang hindi nawawalan ng kanilang katigasan? Ang mga materyales na ito ay magiging kapaki-pakinabang sa mga sitwasyon kung saan kinakailangan ng mga thermal insulation coating upang protektahan ang mga elektronikong aparato mula sa mataas na temperatura.

Sa mas malalim na pagsisiyasat sa materyal at pag-usisa pa tungkol sa pananaliksik, lumalabas na ang mga materyales na pinagtrabahuan ng mga mananaliksik ay isang subset ng dalawang-dimensional na hybrid organic-inorganic perovskites (2D HOIP). Ang mga materyales na ito ay binubuo ng manipis na mga pelikula na may ‘alternating organic and inorganic layers in a highly ordered crystalline structure.’ Ang nagdaragdag sa kanilang halaga ay ang posibilidad na i-tune ang komposisyon ng alinman sa inorganic o organic na layer.

Ang proseso ay kinabibilangan ng pagpapalit ng mga carbon-carbon chain sa organic na mga layer ng mga materyales na ito ng mga benzene ring. Ito ay nagdudulot ng sitwasyon kung saan posible na kontrolin o i-regulate ang elastic modulus at thermal conductivity.

Ang pananaliksik ay tumulong sa koponan na makabuo ng hindi bababa sa tatlong natatanging 2D HOIP na materyales na naging mas kaunti ang thermal conductivity habang tumitigas sila.

Bukod sa paggawa ng matigas ngunit insulanteng mga materyales, ang pananaliksik ay tumulong din na ipakilala ang chirality sa mga organic na layer, na nagpapahiwatig na ang parehong katigasan at thermal conductivity ay maaaring mapanatili nang hindi kinakailangang gumawa ng malalaking pagbabago sa komposisyon ng mga organic na layer. Ang karagdagang pag-unlad sa aspetong ito ay maaaring magbigay ng posibilidad na i-optimize ang iba pang katangian ng mga materyales nang hindi iniintindi ang epekto ng mga pagbabagong ito sa katigasan o thermal conductivity ng materyal.

Pagdating sa pagsusuri ng potensyal na aplikasyon ng mga materyales na ito sa tunay na mundo, maraming kumpanya ang maaaring makinabang mula sa pananaliksik na ito. Ang mga kumpanyang ito ay may mga mapagkukunan ng R&D upang ituloy ang pananaliksik, subukan ito sa mas malaking sukat, at isama ang mga benepisyo nito sa kanilang kasalukuyang linya ng produkto o lumikha ng bagong linya ng produkto. Sa mga susunod na bahagi, tatalakayin namin ang ilang mga kumpanyang ito at susuriin kung paano nila maaaring i-adopt ang inobasyong ito.

#1. Owens Corning

Ang linya ng mga produkto ng Owens Corning (OC ) na Foamular ay binubuo ng mataas na performance na extruded polystyrene insulation. Ang extruded polystyrene foam ay binubuo ng mga closed cell at nag-aalok ng pinahusay na kalas ng ibabaw, mas mataas na katigasan, at nabawasang thermal conductivity. 

Ang mataas na performance na extruded polystyrene nito ay nagbibigay ng insulasyon sa pamamagitan ng isang produktong matibay, maraming gamit, at matatag, at kapaki-pakinabang para sa iba’t ibang gamit sa arkitektura, inhinyeriya, at konstruksyon. Bukod sa mga katangian nitong insulante, ang mga materyales ay pati na rin ay tumatagal laban sa kahalumigmigan. 

Owens Corning ay may proprietary manufacturing process na tinatawag na Hydrovac na gumagawa ng mga solusyong ito. Ang proseso ay nag-aalok ng pare-parehong closed-cell structure, walang voids, na nagpapanatiling walang kahalumigmigan habang nagbibigay ng R-value na 5 kada pulgada ng kapal. Sa konteksto ng insulasyon, ang R-value ay sukatan kung gaano kahusay ang insulasyon ng isang gusali na mapigilan ang pagdaloy ng init papasok at palabas ng bahay. Mas mataas ang R-value, mas mahusay ang pagganap ng produktong insulasyon.

Ang produkto ay may compressive strengths mula 15 hanggang 100 psi at ginawa alinsunod sa ASTM C5781. Maaaring ito ang perpektong pagpipilian sa Protected Roof Membrane Assemblies (PRMA) para sa vegetative roofs, na kayang tiisin ang basang lupa at mga karga. Dagdag pa, ito ay magaan, madaling hawakan, at compatible sa karaniwang exterior claddings at finishes. Hindi lamang nag-aalok ang produkto ng hanggang 13 beses na mas mataas na resistensya sa tubig kumpara sa karaniwang EPS insulation, kundi pinapanatili rin nito ang hindi bababa sa 90% ng R-value sa loob ng 20 taon.

Ang pananaliksik sa hybrid organic-inorganic perovskites (2D HOIP) na tinalakay natin sa naunang bahagi ay maaaring magbigay sa Owens Corning ng mga bagong paraan upang palawakin ang kanilang pamumuno sa larangang ito.

Itinatag noong 1938 at nakabase sa Toledo, Ohio, ang Owens Corning ay nagtala ng net sales na $9.7 bilyon noong 2023.

#2. Gore

Habang tinatalakay ang pananaliksik sa 2D HOIP, nakita natin na ang mga materyales ay may potensyal na magbigay ng thermal insulation sa mga elektronikong materyales. Ang Gore, isang kumpanyang dalubhasa sa thermal insulation para sa mga mobile device, ay makikinabang mula sa mga materyales at pananaliksik na ito.

Ang Gore Thermal Insulation ay isang advanced na solusyon sa thermal management na may conductivity na mas mababa kaysa hangin. Maaari nitong dagdagan ang flexibility ng disenyo at kakayahan ng designer na i-direkta ang init sa pamamagitan ng mas mahusay na kontrol ng z-axis thermal conductivity. Ang pinahusay na kontrol ng z-axis ay nangangahulugang mas mahusay na mga opsyon sa pagkalat na tumutulong sa mga komponent na mag-perform sa mas mataas na antas nang mas matagal, mag-akomoda ng pag-urong ng form factor, at matugunan ang mga kinakailangan sa surface temperature.

Bukod sa mga sopistikadong katangian ng thermal insulation, ang solusyon ng Gore ay may iba pang mga benepisyo sa pagganap, kabilang ang pagiging madaling i-integrate at pagkakaroon ng suporta mula sa isang koponan ng mga inhinyero na nagbibigay ng gabay sa disenyo at integrasyon ng modeling mula sa maagang yugto ng disenyo hanggang sa komersyalisasyon.

Itinatag nina Bill at Vieve Gore noong 1959 at may punong tanggapan sa Newark, Delaware, United States, ang Gore ay may taunang kita na US$4.8 bilyon.

Karagdagang Pananaliksik sa Dinamika sa Pagitan ng Kalikasan ng mga Materyales at ng Kanilang Thermal Conductivity

Ang insulasyon ay may malawak na potensyal na aplikasyon. Sa kalaunan, karamihan ng mga espasyo at materyales sa ating pang-araw-araw na buhay ay nangangailangan ng proteksyon laban sa init. Natural lamang na hindi lahat ng uri ng materyales ay angkop sa bawat uri ng senaryo ng aplikasyon. 

Pananaliksik sa pagganap ng thermal insulation at ang epekto nito sa indoor air quality ng mga cellulose-based thermal insulation materials ay nagsuri ng iba’t ibang salik na nakakaapekto sa thermal conductivity. Kabilang sa mga salik na ito ang uri ng raw material na ginamit, mga proseso ng paggawa, densidad, moisture content, at temperatura ng kapaligiran ng pagsubok.

Itinuro rin ng pananaliksik ang ilang korelasyon na magiging kinakailangan sa pagbuo ng mga materyales na may mas mataas at natatanging katangian sa pag-insulate. Halimbawa, napansin ng pananaliksik na ang moisture ay negatibong nakakaapekto sa thermal performance. Sa kabaligtaran, ang pagtaas ng densidad, na nakamit sa pamamagitan ng compression ng materyal, ay karaniwang nagbabawas ng thermal conductivity, lalo na para sa mga materyales na may pantay-pantay na distribusyon ng mga air gap.

Mas malalim na sinuri ng pananaliksik ang mga tiyak na komposisyon ng produkto kung saan ang thermal performance ay pinakamainam sa kanilang natural na densidad. Ang isang produkto ay binubuo ng cellulose acetate, mga waste cigarette filter, waste cigarette paper, at waste aluminized paper. Ang isa pa ay binubuo lamang ng mga waste paper.

Pagdating sa sorption capacity, ang pinakahalatang pagtaas ng sorption ay makikita sa kaso ng thermal insulation material na gawa mula sa wood fibers at sa isa na gawa mula sa cellulose na nagmula sa waste cardboard, mahinang pagproseso, at hindi homogenous na mga produkto.

Itinuturing na kapaki-pakinabang ang pananaliksik dahil sinuri nito ang mga thermal insulation material na gawa mula sa recycled agro-industrial waste. Ang mga materyales na ito, na madalas na matatagpuan sa mga construction material, ay nanatiling hindi pa napapaunlad.

Ang pananaliksik na nagpasimula ng ating kasalukuyang talakayan ay naglalayong protektahan ang mga elektronikong produkto mula sa init. Mayroon ding mga halimbawa ng pananaliksik na isinagawa sa larangang ito. Halimbawa, isang pangkat ng mga mananaliksik mula sa Xi’an Jiaotong University, Xi’an, China, ang nagsagawa ng isang experimental study tungkol sa active thermal protection para sa mga elektronikong device na ginagamit sa deep-downhole environment exploration. Sa susunod na bahagi, lalalim pa tayo sa pananaliksik na iyon at sa mga natuklasan nito.

I-click dito upang matuto tungkol sa self-heating concrete na maaaring makatulong sa ating mga kalsada, aquifers, at pitaka.

Aktibong Thermal Protection para sa mga Electronic Device na Ginagamit sa Deep−Downhole−Environment Exploration

Magsimula tayo sa kung ano ang deep-downhole-environment exploration. Ito ay isa sa mga pinaka kritikal na aplikasyon ng mga elektronikong device kung saan ginagamit ang mga device upang mag-exploit at mag-extract ng shale oil. Ang hamon ay nagmumula sa katotohanang ito ay isang zona na may mataas na temperatura na sinamahan ng mataas na presyon. Ang mga kondisyon ng init sa mga espasyong ito ay maaaring napakabigat na maaaring magbanta sa ligtas na operasyon ng mga elektronikong komponent. Ang mga mananaliksik, sa kasong ito, ay nag-aral ng isang active thermal‑insulation system na binubuo ng isang spiral annular cooling plate (ACP), isang thermal storage container na may phase‑change material (PCM), at isang aerogel mat (AM).

Sinukat ng koponan nang eksperimental ang epekto ng estruktura, layout, at flow rate ng working‑medium ng ACP sa pagganap ng heat‑protection. Ang pagganap ay nagpakita ng dalawang parameter: kakayahang kontrolin ang temperatura at oras ng operasyon ng sistema.

Natuklasan ng pananaliksik na kinakailangan ang isang aerogel mat layer at na ang panloob na kaso ng ACP ay nagpakita ng mas mahusay na pagganap sa thermal protection. Ipinanukala rin ng pag-aaral ang isang annular cooling plate (ACP) na may spiral flow para sa hybrid thermal protection na may insulation material para magamit sa deep downhole environments.

Isang iba pang pag-aaral, na isinagawa noong 2022 at inilathala sa journal na Nature, ay nagsuri ng malambot, stretchable na thermal protective substrates para sa wearable electronics.

Malambot, Stretchable na Thermal Protective Substrates para sa Wearable Electronics

Maraming medikal na aplikasyon ngayon ang nakabatay sa epektibong paggamit ng wearable electronics. Sa ganitong konteksto, ang mga produktong ito ay nangangailangan ng maingat na paghawak. Gayunpaman, sa panahon ng operasyon, maaaring mag-overheat ang mga device na ito, na nagdudulot ng thermal discomfort o pinsala sa balat. Ang isang pangkat ng mga mananaliksik ay naghanap ng mga materyales at estruktura na maaaring magbigay ng advanced na thermal protection.

Nireport nila ang isang malambot, stretchable na thermal protective substrate na tampok ang composite design. Binubuo ito ng napakapopular na polymeric material na polydimethylsiloxane na may nakabaong heat-absorbing microspheres, na binubuo ng phase change materials na nakapaloob sa resin shell.

Ang mga resulta ay maganda dahil ang substrate ay maaaring sumailalim sa kumplikadong deformations na higit sa 150% at maaaring bawasan ang pagtaas ng peak skin temperature ng 82% o higit pa sa ilalim ng mga optimizations.

Materyal na Nagpapabuti ng Steady-State System Performance sa Thermally Stressed na Google Pixel 3XL

Isa pang kawili-wiling halimbawa ng pagpili ng angkop na thermal insulating material ay kinabibilangan ng paggamit ng graphite foils na may ultra-high spreading capacity at insulation sheets na may ultra-low thermal conductivity. Ang mga ito ay inilagay sa binagong Google Pixel 3XL upang bawasan ang surface touch (skin) temperatures.

Isinagawa ang deployment upang mabawasan ang epekto ng device junction temperature kumpara sa mga standalone insulating solution tulad ng hangin o graphite habang pinapabuti rin ang steady-state system performance ng device. Apat na natatanging thermal solution na may katulad na kapal (~350 µm) ang ginawa para sa eksperimento. Pagkatapos, ang mga solusyon ay sumailalim sa thermal stress testing sa Pixel gamit ang 3DMark—Sling Shot Extreme.

Ang mga resulta ay maganda. Ang steady-state touch temperatures ay bumaba ng hanggang 3.2°C na may <1°C na pagtaas sa max junction temperature (TJ) kapag ikinumpara sa mga single-component thermal solution ng graphite, insulation, at hangin.

Natuklasan ng pananaliksik na ang high-performance insulation-graphite composites ay maaaring magbigay ng malaking kapakinabangan sa pagpapalakas ng high-powered, manipis na arkitektura ng mobile electronics. Gayunpaman, maaaring mag-iba ang optimal na disenyo, dahil ang bawat mobile electronic system ay maaaring magpakita ng natatanging thermal challenges dahil sa pagkakaiba-iba ng kapangyarihan ng sistema at magagamit na espasyo.

Sa pangkalahatan, ang pag-iingat ng init ay isang praktis na may napakalaking potensyal upang matulungan tayong maabot ang mga modelo ng sustainability na nais natin para sa isang mas berde na hinaharap. Ang anumang pananaliksik sa epektibong insulasyon o thermal management ay sa esensya ay pananaliksik sa mga materyales, sinusuri ang kanilang natatanging katangian at ina-optimize ito ayon sa pangangailangan. Ipinapakita ng kasalukuyang mga trend sa pananaliksik na sapat na ang ginagawa na sa direksyong iyon. Ang mga pagsisikap ay lalong titindi sa mga darating na araw.

I-click dito upang matuto tungkol sa adaptive roof tiles na maaaring susi sa pagbawas ng konsumo ng enerhiya para sa pag-init at paglamig.