Исследователи разрабатывают термоформуемую керамику, "новый рубеж в области материалов"

 

Это была одна из тех счастливых случайностей науки. Северо-восточный профессор Рэндалл Эрб и аспирант Джейсон Байс работали над продуктом для университетского клиента — и в итоге получили совершенно новый класс материалов.

Их открытие цельнокерамики, которая может быть отлита методом прессования в сложные детали - прорыв в отрасли — может изменить дизайн и конструкцию тепловыделяющей электроники, включая мобильные телефоны и другие радиодетали.

 

"Жизнь нашей исследовательской группы в значительной степени находится на переднем крае технологий", - говорит Эрб, адъюнкт-профессор механики и промышленного инжиниринга, возглавляющий лабораторию DAPS в Северо-Восточном университете. "Вещи часто ломаются, и время от времени один из этих перерывов оборачивается удачей".

В июле прошлого года Эрб был в своей северо-Восточной лаборатории с Байсом, который с тех пор получил степень доктора технических наук. Они тестировали экспериментальный керамический компаунд в рамках гиперзвукового проекта для промышленного партнера, когда что-то пошло не так.

"Мы взорвали его паяльной лампой, и пока мы его загружали, он неожиданно деформировался и выпал из крепления", - говорит Эрб. "Мы посмотрели на образец на полу, думая, что это был провал".

Более пристальное изучение уступило место откровению.

"Мы поняли, что он совершенно цел", - говорит Эрб. "Просто у него была другая форма".

Керамика имеет тенденцию разрушаться (или даже взрываться) от теплового удара, когда подвергается экстремальным перепадам температуры и механическим нагрузкам. Но их образец изящно деформировался.

"Мы попробовали это еще несколько раз и поняли, что можем контролировать деформацию", - говорит Эрб. "А затем мы начали прессование материала и обнаружили, что это очень быстрый процесс".

Его основная микроструктура уникально позволяет цельнокерамике быстро передавать тепло и эффективно течь в процессе формования. Керамика может быть сформована в изысканную геометрию и обладает впечатляющей механической прочностью и теплопроводностью при комнатной температуре, говорит Эрб, чьи результаты были недавно опубликованы в журнале Advanced Materials.

Erb и Bice разрабатывают продукт через свой стартап Fourier LLC, названный в честь французского математика Жозефа Фурье, который изучал тепловой поток в керамике два столетия назад. Фурье получил награду Spark Fund в размере 50 000 долларов от Северо-Восточного центра исследований и инноваций.

"Это уникально: термоформуемой керамики, судя по тому, что мы видели и читали, на самом деле не существует", - говорит Байс. "Так что это новый рубеж в области материалов".

У нового продукта есть потенциал для внедрения двух улучшений в отрасли, начиная с его эффективности в качестве теплопроводника, который может охлаждать электронику высокой плотности.

Как правило, мобильные телефоны и другая электроника снабжены объемным слоем алюминия, который необходим для отвода тепла от устройства.

"Толщина нашего материала может составлять менее миллиметра, что представляет собой низкопрофильное решение", - говорит Байс. "Его можно отформовать так, чтобы он соответствовал поверхности, которую вы пытаетесь охладить".

Керамика на основе фононных кристаллов позволяет передавать тепло без переноса электронов, говорит Эрб. Он не создает помех радиочастотам (RF) мобильных телефонов и других систем.

"Если вы вставляете алюминиевый радиатор в радиочастотный компонент, вы фактически вводите серию антенн для взаимодействия с радиочастотным сигналом", - говорит Эрб. "Вместо этого мы можем поместить наш материал на основе нитрида бора в радиочастотный компонент и вокруг него, и он будет практически невидим для радиосигнала".

Другое улучшение, по словам Эрба, заключается в том, что его можно подгонять по форме непосредственно к электрическому компоненту. Эхо Сен-Жермен, студентка пятого курса машиностроительного факультета Северо-Восточного университета, которая работает исследователем керамики и инженером по НИОКР в Fourier, продемонстрировала неньютоновское поведение керамики, подвергнув ее комковатую суспензию вибрации, которая является нормальной для производственного процесса; она мгновенно разжижила и организовала структуру. из материала. Такие суспензии используются для производства формуемой керамики.

Erb и Bice считают, что они смогут использовать цельнокерамические материалы для всех видов электрических компонентов. Керамика будет тоньше, легче и эффективнее, чем используемые в настоящее время металлы.

Байс помог запустить стартап из Мюнхена, где его жена устроилась на новую работу.

"Запуск компании, базирующейся в Бостоне, пока я нахожусь в Германии, добавляет некоторые интересные сложности, но также и возможности", - говорит Байс, который вместе с Erb занимается поиском клиентов как в Европе, так и в США.

Категория: Наука и Техника | Добавил: fantast (08.10.2022)
Просмотров: 72 | Рейтинг: 0.0/0