• Главная
  • Лента новостей 1
  • Лента новостей 2
  • Статьи
  • Календарь событий
  • Образование
  • Финансирование
  • Открытые инновации
  • Шоу-рум
  • О проекте
  • Партнеры
  • Добавить публикацию
  • Сервисы
  • Реклама
  • hello@technovery.com
  • telegram
  • vk
technovery
Нет результатов
Все результаты
technovery
Нет результатов
Все результаты

Исследователи используют возможности новой твердотельной тепловой технологии

23 июня, 2022
Наука
Исследователи используют возможности новой твердотельной тепловой технологии

Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии открыли способ создания универсального теплопроводника с перспективой создания более энергоэффективных электронных устройств, экологичных зданий и освоения космоса.

Они продемонстрировали, что известный материал, используемый в электронном оборудовании, теперь можно использовать и в качестве терморегулятора, если он находится в очень чистой форме. Этот новый класс материалов дает инженерам возможность увеличивать или уменьшать теплопроводность по требованию, превращая теплоизолятор в проводник и наоборот.

Группа опубликовала свои выводы весной этого года в Nature Communications . Статья называется «Наблюдение твердотельного двунаправленного переключения теплопроводности в антисегнетоэлектрическом цирконате свинца».

Двунаправленное управление или «настройка» теплопроводящих материалов будет особенно полезно в электронике и устройствах, которые должны работать при экстремальных температурах или выдерживать экстремальные температурные колебания. Один из сценариев, в которых устройства должны работать в таких суровых условиях, — это космос.

«Колебания температуры в космосе могут быть довольно сильными», — сказал Киумарс Ариана, защитивший докторскую диссертацию. Этой весной он получил степень бакалавра машиностроения и аэрокосмической техники в Университете штата Вирджиния, а также является первым автором статьи в Nature Communications . «Этот тип технологии теплового транспорта может быть огромным преимуществом, поскольку мы создаем транспортные средства и устройства для исследования космоса».

«Марсоход — отличный пример», — сказала Ариана. Температура земли в местах посадки марсохода может достигать 70 градусов по Фаренгейту днем ​​и минус 146 градусов ночью. Чтобы электронные устройства работали при таких широких перепадах температур, марсоход использует изоляционную коробку и нагреватели, чтобы компоненты не замерзали, и радиаторы, чтобы предотвратить их возгорание.

«Этот новый режим управления теплом значительно менее сложен и означает, что регулированием тепла легче управлять — и быстрее. Там, где радиатору или изоляции требуется много времени, чтобы начать нагрев или охлаждение, твердотельный механизм будет почти мгновенным. Так как он не будет отставать от быстрых изменений температуры это делает вещи и более безопасными. Поскольку нагрев и охлаждение могут идти в ногу, вероятность того, что жара или холод вызовут неисправности или что еще хуже, уменьшаются», — сказала Ариана.

Между тем, здесь, на Земле, многообещающие области применения включают управление отоплением и охлаждением в больших масштабах, таких как здания, и в небольших масштабах, таких как печатные платы для электроники. Меньше энергии означает более экологичные технологии и более низкие затраты.

Это продвижение является продолжением давнего сотрудничества между Джоном Илефельдом, адъюнкт-профессором материаловедения и инженерии UVA Engineering, а также электротехники и вычислительной техники, и Патриком Э. Хопкинсом, профессором инженерии Уитни Стоун и профессором машиностроения и аэрокосмической техники и советником Арианы.

Команда Ihlefeld-Hopkins впервые в течение десяти лет использовала настраиваемую теплопроводность в кристаллических материалах, сначала в Sandia National Laboratories, а теперь в UVA.

Возможность перестройки уникальна для класса функциональных материалов, называемых сегнетоэлектриками, которыми занимается исследовательская группа Илефельда по многофункциональным тонкопленочным материалам.

«Сегнетоэлектрический материал похож на магнит, за исключением того, что вместо северного и южного полюсов у вас есть положительный и отрицательный заряд», — сказал Илефельд. Электрическое поле или напряжение при приложении к ферроэлектрическому материалу «переворачивает» полярность поверхности материала в противоположное состояние, где она остается до тех пор, пока не будет приложено противоположное напряжение.

«Обычно теплопроводность считается статическим свойством материала», — сказал Хопкинс. «Если вы хотите превратить теплопроводник в изолятор, вы должны навсегда изменить его структуру или интегрировать его с новым материалом».

Предыдущее исследование Илефельда и Хопкинса продемонстрировало, как снизить теплопроводность с помощью электрического поля и как интегрировать материал в устройство, чтобы повысить теплопроводность, но они не могли заставить один и тот же материал выполнять и то, и другое.

Для этого проекта команда использовала антисегнетоэлектрический материал, в котором участвуют как тепло, так и напряжение.

Исследователи используют возможности новой технологии твердотельной передачи

«Что делает этот интересный материал, помимо того, что он является высококачественным кристаллом, который имеет тенденции теплопроводности, такие как аморфное стекло, в дополнение к тому, что он является твердотельным, так это то, что он дает нам две уникальные возможности для изменения теплопроводности», — сказал Хопкинс. «Мы можем быстро нагреть кристалл лазером или применить напряжение для активной настройки теплопроводности и переноса тепла».

«Мы пытались использовать коммерческий образец цирконата свинца для тестирования двунаправленной теплопроводности, но это не сработало», — сказал Ариана. Лейн Мартин, профессор материаловедения и инженерии Канцлера и заведующий кафедрой Калифорнийского университета в Беркли, предоставил очень чистый образец цирконата свинца. «Используя образец Лейна, мы добились двунаправленного изменения теплопроводности на 38% за один всплеск, что является огромным скачком», — сказала Ариана.

Структуры антисегнетоэлектрических материалов по своей природе являются двунаправленными. В наименьшей повторяющейся единице кристаллической решетки одна половина имеет полярность, направленную вверх, а другая половина — вниз, так что положительные и отрицательные заряды компенсируют друг друга. При нагревании изменяется кристаллическая структура и антисегнетоэлектричество уходит, увеличивая теплопроводность. Приложение электрического поля делает обратное — оно заставляет материал превращаться в сегнетоэлектрик, и теплопроводность уменьшается. Полярность сети возвращается к нулю при снятии напряжения.

Смена полярности и расположение атомов в кристалле, которые поддерживают антисегнетоэлектрическую структуру, приводит к наблюдаемым и измеримым явлениям теплового рассеяния — что-то вроде тепловой сигнатуры — что означает, что энергия рассеивается через материал способами, которые можно предсказать и контролировать.

Члены исследовательской группы Хопкинса, занимающейся экспериментами и моделированием в области теплотехники, добились больших успехов в области лазерных измерений материалов. В статье Nature Communications представлена ​​инновация в экспериментах на основе оптической термометрии, в которых студенты использовали третий лазер, чтобы вызвать событие быстрого нагрева для модуляции антисегнетоэлектрической пленки посредством перехода от антисегнетоэлектрической к параэлектрической структуре, придавая ей способность поляризоваться под действием приложенное электрическое поле.

Чтобы повлиять на технологии, инженерам потребуется более крупный переключатель «вкл-выкл», чтобы быстро перемещать или сохранять гораздо больший процент тепла. Следующие шаги исследовательской группы включают в себя работу по более точному определению ограничений материала, чтобы они могли разработать новый материал с более высокими коэффициентами переключения, ускоряя использование материалов с активной настройкой теплопроводности.

Дополнительная информация: Киумарс Ариана и др., Наблюдение за твердотельным двунаправленным переключением теплопроводности в антисегнетоэлектрическом цирконате свинца (PbZrO3), Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29023-y

 

Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов

hello@technovery.com

 

Source: Tech Xplore
Теги: МатериалыТеплопроводностьЭлектроникаЭнергоэффективность

Related Posts

«Технология зеленой жизни»: наконец-то появилось биоразлагаемое, пригодное для вторичной переработки стекло
Наука

«Технология зеленой жизни»: наконец-то появилось биоразлагаемое, пригодное для вторичной переработки стекло

20 марта, 2023
Реверсивные стельки преобразуют энергию шагов в обогрев и охлаждение
Устройства

Реверсивные стельки преобразуют энергию шагов в обогрев и охлаждение

16 марта, 2023
В Сколтехе узнали, как полимеры помогут архитекторам реализовать причудливые проекты
Наука

В Сколтехе узнали, как полимеры помогут архитекторам реализовать причудливые проекты

16 марта, 2023
Загрузить больше

Технологии

Робототехника
Беспилотники
Машинное обучение
AI
Транспорт
Материалы
ВИЭ
Интернет вещей
Микроэлектроника
Оптика
Носимые устройства

Смотреть все »

Запросы

Х5 Group в партнерстве с платформой Technovery приступают к поиску инновационных проектов для решения проблематики пищевых отходов

СМ Инновации

Тинькофф работает со стартапами

Масштабируйте свой стартап вместе с Контуром

Акселератор ВТБ

АСИ и АВТОВАЗ запустили отбор проектов по развитию автопрома

Х5 Group в партнерстве с платформой Technovery приступают к поиску инновационных проектов для решения проблематики пищевых отходов
Пилотные проекты

Х5 Group в партнерстве с платформой Technovery приступают к поиску инновационных проектов для решения проблематики пищевых отходов

7 марта, 2023

© 2022 technovery

  • hello@technovery.com
  • Условия использования
  • Политика конфиденциальности
Нет результатов
Все результаты
  • Главная
  • Лента новостей 1
  • Лента новостей 2
  • Статьи
  • Календарь событий
  • Образование
  • Финансирование
  • Открытые инновации
  • Шоу-рум
  • Карта технологий
  • О проекте
  • Партнеры
  • Добавить публикацию
  • Сервисы
  • Реклама
  • hello@technovery.com

© 2022 technovery