Наша электрическая инфраструктура практически не изменилась со времен Второй мировой войны, но достижения в области технологий, в частности материалов, открыли возможности, о которых мы никогда не думали. Эти достижения заложили основу для модернизации нашей электрической инфраструктуры на следующие 100 лет и далее.
Редизайн имеет решающее значение, потому что с каждым днем мы увеличиваем нагрузку на электрическую сеть , требуем более быстрой обработки данных на компьютере и стремимся к электрическому транспорту. Усовершенствованные и миниатюрные полупроводники, питающие эти устройства и инфраструктуру, выделяют значительное количество тепла, которое может привести к их выходу из строя. Эти устройства также должны быть электрически изолированы и защищены от внешних воздействий.
Поскольку устройства и инфраструктура продолжают развиваться, во всем мире разрабатываются новые типы электрической изоляции для удовлетворения постоянно растущих требований к производительности и надежности. Исследователи из Техасского университета в Остине в сотрудничестве с Исследовательской лабораторией армии США анализируют новые материалы для электрической изоляции или упаковки, которые могут отводить тепло более эффективно по сравнению с современной изоляцией.
«Электрическая сеть обслуживает миллионы домов и предприятий и обрабатывает тысячи ампер тока», — сказал Вайбхав Бахадур, соавтор новой статьи, опубликованной в Proceedings of the IEEE, и доцент кафедры теплоносителей в Школе Кокрелла. Инженерный отдел машиностроения Уолкера. «Мы говорим о довольно значительном тепловыделении, высоком напряжении и способности выдерживать экстремальные температуры, которые будут только ухудшаться в изменяющемся климате».
«Ключевая проблема, которую мы определили, заключается в том, что одного лишь улучшения теплопроводности недостаточно», — сказал Бахадур. «Вам необходимо более целостное понимание материалов и многофункциональных материалов для удовлетворения электрических, термических и механических требований».
Сосредоточения внимания только на одном свойстве, таком как теплопроводность, недостаточно для обеспечения необходимой производительности и срока службы электронных устройств . Вам необходимо убедиться, что материалы обладают большим электрическим сопротивлением, устойчивостью к экстремальным температурам , способностью выдерживать механические нагрузки и устойчивостью к влаге, среди прочего. Основная задача разработчиков материалов — улучшить все эти свойства одновременно, а не по одному.
«Всесторонняя оценка этих новых наноматериалов ранее не проводилась», — сказал Роберт Хебнер, профессор-исследователь из отдела Уолкера, директор Центра электромеханики UT и соавтор статьи. «Эта статья представляет собой дорожную карту для разработки будущих материалов. Мы предоставляем критический обзор и перспективы для сообщества материалов с точки зрения проектирования и надежности».
Эти новые нанокомпозитные материалы сделаны из полимеров с наночастицами в них и стремятся достичь уровней тепловых характеристик, сравнимых с металлами, сохраняя при этом преимущества полимеров — легкость, устойчивость к коррозии, простота изготовления. Некоторые из наиболее многообещающих материалов имеют почти в 100 раз большую теплопроводность, чем обычные полимеры.
Как предполагают исследователи, если мы сможем улучшить электрическую изоляцию целостным образом, мы сможем увидеть улучшения во многих аспектах нашей жизни. Надежная электросеть на основе возобновляемых источников энергии . Более быстрые процессоры ноутбуков, которые не перегреваются. Охлаждение силовой установки с использованием воздуха вместо дефицитных водных ресурсов. Даже переход на электрическую авиацию с кабелями, которые могут выдерживать сильную жару, выделяемую во время взлета.
Учитывая глобальный интерес к этим материалам для широкого спектра применений, будущий прогресс может и должен развиваться быстро. Бахадур предполагает, что практическое внедрение таких передовых, многофункциональных материалов может произойти уже в 2030 году.
Дополнительная информация: Маноджкумар Локанатан и др., Обзор нанокомпозитных диэлектрических материалов с высокой теплопроводностью, Труды IEEE (2021 г.). DOI: 10.1109 / JPROC.2021.3085836
Иллюстрация: Техасский университет в Остине
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК