Yeni araştırma, rijit ve ısıyı iyi yalıtan malzemelerin tasarlanabileceğini gösteriyor

Genellikle malzemeleri özelliklerine göre tanırız. Ancak, malzeme bilimi ve mühendisliğinde kaydedilen ilerlemeler, birbirleriyle keskin bir tezat oluşturan alışılmadık özellikleri bir araya getiren malzemeler üretmeyi mümkün kıldı. 

Yakın tarihli bir çalışmada, bir araştırma ekibi hem rijit hem de ısıyı iyi yalıtan malzemelerin tasarlanabileceğini gösterdi. 

Çalışmanın ortak sorumlu yazarlarından Jun Liu, Kuzey Karolina Eyalet Üniversitesi’nde makine ve uzay mühendisliği doçenti olarak görev yapıyor. Liu, bulguların önemini şöyle açıkladı:

“Hem rijit hem de çok iyi ısı yalıtımı sağlayan bir malzeme grubu bulduk. Üstelik bu malzemelerin rijitliğini ve ısı iletkenliğini, bileşimlerini değiştirerek ayarlayabiliyoruz.”

Yüksek elastik modül, bir malzemenin elastik şekil değiştirmeye karşı yüksek direnç, yani rijitlik gösterdiği anlamına gelir. Rijitlik, yüzeyin çizilmeye veya batmaya karşı sertliğiyle aynı özellik değildir. İncelenen malzeme sınıfında rijitlik ile ısı iletkenliğinin alışılmış ilişkisi tersine çevrilebildi. 

Rijitliğini korurken ısıyı iyi yalıtan malzemeler, örneğin elektronik cihazları yüksek sıcaklıklardan koruyan kaplamalar için yararlı olabilir.

Malzeme üzerine daha derine inildiğinde ve araştırma hakkında daha fazla bilgi alındığında, araştırmacıların çalıştığı malzemelerin iki boyutlu hibrit organik‑inorganik perovskitlerin (2D HOIP) bir alt kümesi olduğu görülür. Bu malzemeler, ‘yüksek derecede düzenli kristal yapıda organik ve inorganik katmanların dönüşümlü olarak bulunduğu’ ince filmlerden oluşur. Değerini artıran nokta, inorganik ya da organik katmanın bileşimini ayarlamanın mümkün olmasıdır.

Bu süreç, bu malzemelerin organik katmanlarındaki karbon‑karbon zincirlerinin benzen halkalarıyla değiştirilmesini içerir. Bu, elastik modül ve termal iletkenliği kontrol veya düzenleme imkanı sağlayan bir senaryo oluşturur. 

Deneylerde en az üç farklı 2D HOIP malzemesinin elastik modülü yükselirken ısı iletkenliğinin azaldığı gözlendi.

Araştırmacılar ayrıca organik katmanlara kiralite kazandırdıklarında, incelenen yarı kiral malzemelerin organik bileşimlerinde önemli değişiklikler olsa bile benzer rijitlik ve ısı iletkenliği gösterebildiğini buldu. Bu sonuç, diğer özelliklerin de termal ve mekanik özellikleri bozmadan ayarlanıp ayarlanamayacağının araştırılmasına olanak tanıyor; tüm malzemeler için geçerli bir garanti oluşturmuyor.

Bu malzemelerin saha uygulama potansiyelini değerlendirirken, birçok şirket bu araştırmadan faydalanabilir. Bu şirketlerin, araştırmayı ilerletmek, daha büyük ölçekte denemek ve faydalarını mevcut ürün yelpazelerine entegre etmek ya da tamamen yeni bir ürün serisi oluşturmak için Ar‑GE kaynakları vardır. Aşağıdaki bölümlerde, bu şirketlerden birkaçını tartışacak ve bu şirketlerin yeniliği nasıl benimseyebileceklerine bakacağız. 

#1. Owens Corning

Owens Corning (OC ) tarafından sunulan Foamular ürün ailesi, kapalı hücreli ekstrüde polistiren (XPS) köpük yalıtım levhalarından oluşur. Bu ürünler, burada incelenen perovskitlerden farklı malzemelerdir. 

Bu ekstrüde polistiren yalıtım levhaları, dayanıklılık ve çok yönlü kullanım özellikleriyle özellikle mimarlık, mühendislik ve inşaat uygulamalarında kullanılabilir. Isı yalıtımının yanı sıra neme karşı da direnç gösterirler. 

Owens Corning’in üretimde kullandığı özel Hydrovac süreci kapalı hücreli köpük yapısı oluşturur. Ürün verilerinde belirtilen R-5 değeri, her 1 inç (25,4 mm) kalınlık içindir; kalınlıktan bağımsız tek bir değer değildir. Yalıtım bağlamında, R‑değeri bir binanın yalıtımının ısı akışını ne kadar engellediğinin ölçüsüdür. R‑değeri ne kadar yüksekse, yalıtım ürününün performansı o kadar iyidir. 

Foamular ailesindeki farklı ürünlerin basınç dayanımları 15–100 psi aralığında olabilir; uygun ürün tipi uygulamaya göre seçilmelidir. İlgili ürün standardı ASTM C578’dir. Bazı çeşitler, nem ve yük koşulları dikkate alınarak korumalı membranlı çatı sistemlerinde kullanılabilir; bu uygunluk bütün Foamular çeşitleri için varsayılmamalıdır. Hafif levhalar kolay taşınır ve kesilebilir. Su emme ve uzun vadeli R-değeri iddiaları, ilgili ürünün deney koşulları ve garanti şartlarıyla birlikte değerlendirilmelidir.

2D HOIP araştırması, gelecekte yeni yalıtım malzemeleri geliştirilmesine katkı sağlayabilir. Ancak bu olasılık, Owens Corning’in bu malzemeleri kullandığını veya araştırmacılarla bir ortaklık kurduğunu göstermiyor. 

1938’de kurulan ve Ohio, Toledo’da bulunan Owens Corning, 2023 yılında net satış olarak 9,7 milyar dolar kaydetti.

#2. Gore

2D HOIP malzemeleri, elektronik bileşenlere ısı yalıtımı sağlayan yeni çözümler için araştırılıyor. Mobil cihazlarda ısı yönetimi ürünleri geliştiren Gore gibi şirketler açısından bu çalışma ilgi çekici olabilir; ticari yararı henüz gösterilmiş değildir.

Gore Thermal Insulation, elektronik cihazlar için bir ısı yönetimi çözümüdür. Üretici, ürünün ısı iletkenliğinin durgun havanınkinden düşük olduğunu belirtiyor. Kalınlık doğrultusundaki, yani z eksenindeki ısı geçişini sınırlamak, ısı yayıcı katmanlarla birlikte kullanıldığında ısının yönlendirilmesine yardımcı olabilir. Sonuçlar cihazın tasarımına ve çalışma koşullarına bağlıdır. 

Gore’un çözümünün sofistike termal yalıtım özelliklerinin yanı sıra, entegrasyonunun kolay olması ve erken tasarım aşamasından ticarileşmeye kadar tasarım rehberliği ve modelleme entegrasyonu sağlayan bir mühendis ekibi desteği gibi diğer performans avantajları da vardır.

Bill ve Vieve Gore’un 1958’de kurduğu, merkezi Newark, Delaware’de bulunan W. L. Gore & Associates özel bir şirkettir. Makalede verilen yaklaşık 4,8 milyar dolarlık yıllık gelir, yazının dönemine ait bir şirket büyüklüğü göstergesidir. 

Malzemelerin Doğası ile Termal İletkenliği Arasındaki Dinamikler Üzerine Daha Fazla Araştırma

Yalıtım, geniş bir uygulama potansiyeline sahiptir. Sonuçta, günlük hayatımızdaki çoğu alan ve malzeme ısıdan korunmaya ihtiyaç duyar. Her türlü malzemenin her uygulama senaryosuna uymaması oldukça doğaldır. 

Termal yalıtım performansı üzerine araştırma ve selüloz bazlı termal yalıtım malzemelerinin iç hava kalitesi üzerindeki etkisi, termal iletkenliği etkileyen çeşitli faktörleri inceledi. Bu faktörler kullanılan hammadde türü, üretim süreçleri, yoğunluk, nem içeriği ve test ortamının sıcaklığını içeriyordu.

Araştırma, üstün ve benzersiz yalıtım özelliklerine sahip malzemeler geliştirmek için gerekli olacak bazı korelasyonları da ortaya koydu. Örneğin, araştırma nemin termal performansı olumsuz etkilediğini belirtti. Aksine, malzeme sıkıştırmasıyla elde edilen yoğunluk artışı, özellikle hava boşlukları eşit dağıtılmış malzemelerde termal iletkenliği azaltma eğilimindeydi.

Çalışmada, doğal yoğunluğunda en iyi termal performans gösteren örnekler arasında P3 ve P8 yer aldı. P3; selüloz asetat, sigara filtresi üretim atıkları, sigara kâğıdı ve alüminyum kaplı kâğıt atıklarını içeriyordu. P8 ise bir üreticinin atık kâğıttan elde ettiği üründü. Buradaki filtreler, kullanılmış sigara izmaritleri olarak yorumlanmamalıdır.

Nem tutma kapasitesi bakımından belirgin artışlar, ahşap lifi içeren örneklerde ve homojen olmayan, yetersiz işlenmiş atık karton selülozunda görüldü.

Çalışma, yapı malzemeleri pazarında bulunan 10 farklı atık kökenli yalıtım ürününü karşılaştırdı. Isı yalıtımına ek olarak nem alışverişini ve küf riskini de inceledi; sonuçlar, bu ürünlerin nemli koşullarda ek koruma gerektirebileceğini gösterdi.

Elektronik cihazların ısıdan korunması başka çalışmalarda da inceleniyor. Çin’deki Xi’an Jiaotong Üniversitesi araştırmacıları, derin kuyu ortamlarında kullanılan elektronikler için aktif termal korumayı deneysel olarak araştırdı. Aşağıdaki bölüm bu çalışmayı ele alıyor.

Kendini ısıtan betonun yollarımıza, akiferlere ve cüzdanlarımıza nasıl yardımcı olabileceğini öğrenmek için buraya tıklayın.

Derin Kuyularda Kullanılan Elektronik Cihazlar İçin Aktif Termal Koruma

Derin kuyu araştırmaları ve kaya petrolü çıkarma işlemlerinde kullanılan elektronik cihazlar, yüksek sıcaklık ve basınca maruz kalır. Bu koşullar bileşenlerin güvenli çalışmasını zorlaştırır. Araştırmacılar bu soruna yönelik olarak aktif bir termal‑yalıtım sistemi inceledi. Deneysel sistem, spiral kanallı halka biçimli bir soğutma plakası (ACP), faz değişim malzemesi (PCM) içeren bir ısı depolama kabı ve aerogel örtüden (AM) oluşuyordu. 

Ekip, ACP’nin yapısının, yerleşiminin ve soğutucu akışkan debisinin koruma performansını nasıl etkilediğini ölçtü. Değerlendirmede sıcaklığı sınırlama yeteneği ve sistemin çalışabildiği süre kullanıldı. 

İncelenen düzeneklerde aerogel katmanı termal korumayı iyileştirdi; soğutma plakasının aerogel katmanının içinde yer aldığı düzen daha uzun çalışma süresi sağladı. Sonuçlar, derin kuyu uygulamaları için aktif soğutmayı pasif yalıtımla birleştiren tasarımları destekliyor.

2022’de npj Flexible Electronics dergisinde yayımlanan başka bir çalışma, giyilebilir elektronikler için yumuşak ve esneyebilir termal koruma altlıklarını inceledi.

Giyilebilir Elektronikler İçin Yumuşak, Esnek Termal Koruyucu Alt Tabakalar

Bugün birçok tıbbi uygulama, giyilebilir elektroniklerin etkili kullanımına dayanmaktadır. Bu bağlamda, bu ürünler dikkatli bir şekilde ele alınmalıdır. Ancak, operasyonlar sırasında bu cihazlar aşırı ısınabilir, termal rahatsızlık veya cilde zarar verebilir. Araştırmacı ekibi, gelişmiş termal koruma sağlayabilecek malzeme ve yapılar aradı. 

Araştırmacılar, polidimetilsiloksan (PDMS) içine ısı soğuran mikroküreler yerleştirerek yumuşak ve esneyebilir bir kompozit altlık geliştirdi. Mikrokürelerde faz değişim malzemesi, reçine kabuk içinde kapsüllenmişti.

Deneysel ve sayısal sonuçlara göre altlık, %150’nin üzerinde karmaşık deformasyona dayanabiliyordu. Optimize edilmiş koşullarda ciltteki en yüksek sıcaklık artışı %82 veya daha fazla azaltılabildi. Bu oran, bütün cihazlarda cilt sıcaklığının %82 düşeceği anlamına gelmiyor. 

Termal Stres Altındaki Google Pixel 3XL’de Kararlı Durum Sistem Performansını İyileştiren Malzeme

Bir başka örnekte, ısıyı yüzey boyunca çok iyi yayan grafit folyolar, ısı iletkenliği çok düşük yalıtım tabakalarıyla birleştirildi. Bu bileşik çözümler, değiştirilmiş Google Pixel 3XL telefonlarda dış yüzeyin dokunma sıcaklığını düşürmek için denendi.

Amaç, yonga birleşim sıcaklığındaki artışı sınırlarken cihazın sürekli yük altındaki kararlı durum performansını iyileştirmekti. Yaklaşık 350 µm kalınlığında dört farklı termal düzenek üretildi ve Pixel telefonlarda 3DMark Sling Shot Extreme kullanılarak ısıl yük altında karşılaştırıldı.

Tek bileşenli grafit, yalıtım ve hava çözümleriyle yapılan karşılaştırmalarda, kararlı durumdaki dış yüzey sıcaklığında 3,2 °C’ye varan azalma elde edildi. Buna karşılık en yüksek yonga birleşim sıcaklığındaki (TJ) artış 1 °C’nin altında kaldı.

Bu araştırma, yüksek performanslı yalıtım-grafit kompozitlerinin ince ve yüksek güçlü mobil elektronik tasarımlarında yararlı olabileceği sonucuna vardı. En uygun katman düzeni, her cihazın güç tüketimine, kullanılabilir alanına ve ısı yönetimi gereksinimlerine göre değişebilir.

Genel olarak, etkili ısı yalıtımı ve ısı yönetimi enerji verimliliğine katkı sağlayabilir. Bu alandaki çalışmalar, malzemelerin özelliklerini ve uygulama koşullarını birlikte değerlendirmeyi gerektiriyor. Araştırma sonuçlarının ticari cihazlara aktarılması için performans, dayanıklılık ve üretim ölçeği bakımından ek doğrulamalar gerekiyor. 

Isıtma ve soğutma enerji tüketimini azaltmada anahtar olabilecek uyarlanabilir çatı kiremitleri hakkında bilgi edinmek için buraya tıklayın.