Malzeme Bilimi
Yeni Araştırma, Üstün Termal Yönetim İçin Etkili Malzemeler Oluşturma Yöntemini Gösteriyor
Securities.io sitesini Google'daki tercih ettiğiniz kaynaklara ekleyin
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.
Son bir örnekte, araştırmacılar bir ekip, ısıya maruz kaldıklarında hem sert hem de yalıtım sağlayabilen özellikleri sunabilen mühendislik malzemelerinin mümkün olduğunu gösterdi.
Göre Jun Liu, çalışmayla ilgili bir makalenin ortak yazarı ve Kuzey Karolina Eyalet Üniversitesi’nde mekanik ve uzay mühendisliği bölümünde yardımcı doçent keşfin benzersizliği hakkında şu sözleri söyledi ve malzeme:
“Artık hem sert hem de mükemmel ısı yalıtımları olan bir dizi malzeme keşfettik. Dahası, malzemeleri ihtiyaç duyduğumuz şekilde mühendislik yaparak ne kadar sert ve termal iletken olduklarını kontrol edebiliriz.”
Genellikle, yüksek elastik modüle sahip, yani artan sertlikle kendini gösteren malzemelerin yalıtım sağlamadığını görürüz. Aksine, oldukça yüksek ısı iletkenliğine sahiptirler.
Peki ya sertliklerini kaybetmeden iyi yalıtım sağlayacak malzemelere ihtiyacımız olsaydı? Bu malzemeler, elektronik cihazları yüksek sıcaklıklardan korumak için termal yalıtım kaplamaları oluşturma senaryolarında işe yarayacaktır.
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.
Araştırma, ekibin en az üç farklı 2D HOIP malzemesi geliştirmesine yardımcı oldu; bu malzemeler sertleştikçe termal iletkenlikleri azaldı.
Sert ama yalıtkan malzemeler üretmenin yanı sıra, araştırma organik katmanlara kiralite eklemeyi de sağladı; bu da aynı sertlik ve termal iletkenliğin, organik katmanın bileşeninde büyük değişiklikler yapmadan sürdürülebileceği anlamına geliyor. Bu alandaki ilerlemeler, bu malzemelerin diğer özelliklerini optimize etme olasılığını, malzemenin sertliği veya termal iletkenliği üzerindeki etkileri konusunda endişe duymadan sağlayabilir.
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 ) in Foamular ürün serisi, yüksek performanslı ekstrüde polistiren yalıtım içerir. Ekstrüde polistiren köpük kapalı hücrelerden oluşur ve geliştirilmiş yüzey pürüzlülüğü, daha yüksek sertlik ve azaltılmış termal iletkenlik sunar.
Yüksek performanslı ekstrüde polistireni, bir ürün aracılığıyla yalıtım sağlar; bu ürün dayanıklı, çok yönlü ve esnek ve mimari, mühendislik ve inşaatta çeşitli kullanım senaryoları için kullanışlıdır. Yalıtım özelliklerinin yanı sıra, malzemeler aynı zamanda nem direncindedir.
Owens Corning sahiptir özel bir üretim sürecine Hydrovac adlı ve bu çözümleri üreten bir süreç. Bu süreç, boşluklardan arındırılmış tutarlı bir kapalı hücre yapısı sunar; bu da nemi dışarı tutarken kalınlık başına 5 R‑değeri sağlar. Yalıtım bağlamında, R‑değeri bir binanın yalıtımının ısı akışını ne kadar engellediğinin ölçüsüdür. R‑değeri ne kadar yüksekse, yalıtım ürününün performansı o kadar iyidir.
Ürün, 15 ila 100 psi arasında sıkıştırma dayanımına sahiptir ve ASTM C5781 standardına uygun olarak üretilir. Nemli toprak ve yükleri dayanabilen bitki örtülü çatıların Korunan Çatı Membran Montajları (PRMA) için ideal bir seçenek olabilir. Ayrıca hafiftir, taşınması kolaydır ve yaygın dış kaplamalar ve bitişlerle uyumludur. Ürün, geleneksel EPS yalıtımına göre suya karşı 13 kat daha fazla direnç sunmakla kalmaz, aynı zamanda 20 yıl boyunca R‑değerinin en az %90’ını korur.
Önceki bölümde tartıştığımız hibrit organik‑inorganik perovskitler (2D HOIP) üzerindeki araştırma, Owens Corning’e bu alandaki liderliğini artırmak için yeni yollar sunabilir.
OC Fiyat Grafiği
1938’de kurulan ve Ohio, Toledo’da bulunan Owens Corning, 2023 yılında net satış olarak 9,7 milyar dolar kaydetti.
#2. Gore
2D HOIP araştırması tartışılırken, malzemelerin elektronik malzemelere termal yalıtım sağlama potansiyeline sahip olduğu görüldü. Mobil cihazlar için termal yalıtımda uzmanlaşmış bir şirket olan Gore, bu malzemeler ve araştırmadan faydalanacaktır.
Gore Thermal Insulation gelişmiş bir termal yönetim çözümüdür havadan daha düşük bir iletkenliğe sahiptir. Bu, tasarım esnekliğini artırabilir ve tasarımcının ısıyı z‑ekseni termal iletkenliğinin daha iyi kontrolüyle yönlendirme yeteneğini geliştirir. Z‑ekseni üzerindeki gelişmiş kontrol, bileşenlerin daha uzun süre daha yüksek seviyelerde çalışmasını, küçülen form faktörlerine uyum sağlamasını ve yüzey sıcaklığı gereksinimlerini karşılamasını sağlayan üstün yayma seçenekleri sunar.
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.
1959’da Bill ve Vieve Gore tarafından kurulan ve ABD, Delaware, Newark’ta merkezi bulunan Gore, yıllık 4,8 milyar ABD doları gelir elde etmektedir.
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.
Araştırma, doğal yoğunluklarında en iyi termal performansa sahip belirli ürün bileşimlerini daha derinlemesine listeledi. Bir ürün selüloz asetat, atık sigara filtreleri, atık sigara kağıdı ve atık alüminyumlu kağıttan oluşuyordu. Diğeri ise yalnızca atık kağıtlardan oluşuyordu.
Sorption kapasitesine gelince, en belirgin sorption artışı, ahşap liflerinden yapılan termal yalıtım malzemesinde ve atık kartondan, kötü işlenmiş ve homojen olmayan ürünlerden elde edilen selülozdan yapılan malzemede bulunabiliyordu.
Araştırma, geri dönüştürülmüş agro‑endüstriyel atıklardan yapılan termal yalıtım malzemelerini analiz ettiği için faydalı bulundu. Bu malzemeler, genellikle inşaat malzemelerinde bulunur, ancak hâlâ geliştirilmemiş durumdadır.
Şu anki tartışmamıza ilham veren araştırma, elektronik ürünleri ısıdan korumayı amaçladı. Bu alanda yürütülen başka araştırma örnekleri de vardır. Örneğin, Çin, Xi’an’daki Xi’an Jiaotong Üniversitesi’nden bir araştırmacı ekibi, derin kuyuk ortam keşfinde kullanılan elektronik cihazlar için aktif termal koruma üzerine deneysel bir çalışma yürüttü. Sonraki bölümde bu araştırmaya ve bulgularına daha derinlemesine bakacağız.
Derin Kuyuk Ortam Keşfinde Kullanılan Elektronik Cihazlar İçin Aktif Termal Koruma
Derin kuyuk ortam keşfinin ne olduğunu açıklayalım. Bu, elektronik cihazların şist yağı çıkarmak ve sökmek için kullanıldığı en kritik uygulama alanlarından biridir. Zorluk, yüksek sıcaklık ve yüksek basıncın bir arada bulunduğu bir bölge olmasıdır. Bu ortamların termal koşulları, elektronik bileşenlerin güvenli çalışmasını tehlikeye atabilecek kadar şiddetli olabilir. Bu durumda araştırmacılar, aktif bir termal‑yalıtım sistemi inceledi, bu sistem bir spiral halka soğutma plakası (ACP), bir faz‑değişim malzemeli (PCM) termal depolama konteyneri ve bir aerogel mat (AM) içeriyor.
Ekip, ACP’nin yapısı, düzeni ve çalışma ortamı akış hızının ısı koruma performansı üzerindeki etkisini deneysel olarak ölçtü. Performans iki parametreyi içeriyordu: sıcaklık kontrol yeteneği ve sistem çalışma süresi.
Araştırma, bir aerogel mat katmanının gerekli olduğunu ve iç ACP kasasının daha iyi termal koruma performansı gösterdiğini buldu. Çalışma ayrıca, derin kuyuk ortamlarında kullanılmak üzere yalıtım malzemeli hibrit termal koruma için spiral akışlı bir halka soğutma plakası (ACP) önerdi.
2022’de yapılan ve Nature dergisinde yayınlanan bir başka çalışma, giyilebilir elektronikler için yumuşak, esnek termal koruyucu alt tabakaları araştırdı.
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, kompozit tasarıma sahip yumuşak, esnek bir termal koruyucu alt tabaka rapor etti. Bu, polidimetilsiloksan adlı çok popüler polimerik malzemenin, reçine kabuğu içinde kapsüllenmiş faz değişim malzemelerinden oluşan ısı emici mikroküreler ile gömülü halini içerir.
Sonuçlar umut vericiydi; alt tabaka %150’den fazla karmaşık deformasyona maruz kalabilir ve optimizasyonlar altında deri üzerindeki sıcaklık artışını %82 ya da daha fazla azaltabilir.
Termal Stres Altındaki Google Pixel 3XL’de Kararlı Durum Sistem Performansını İyileştiren Malzeme
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.
