Инженеры Северо-Восточного университета разработали новый тип керамики, из которой можно создавать тонкие и сложные формы. Новый материал, названный термоформуемой керамикой, может найти широкое применение в электронике. Так называемая термоформуемая керамика появилась в результате лабораторной аварии, однако теперь как считают ученые, она может служить более эффективным и долговечным теплоизолятором.
В прошлом году авторы исследования проводили опыты с экспериментальными керамическими соединениями на основе бора для потенциального промышленного применения и, как оказалось, достигли предела прочности материала.
"Мы обработали образец паяльной лампой, и во время процесса обработки он неожиданно деформировался и выпал из зажима", - говорит Рэндалл Эрб, профессор механической и промышленной инженерии Северо-Восточного университета. "Мы посмотрели на лежавший на полу кусок материала, думая, что это провал. Но оказалось, что он совершенно цел. Он просто имел другую форму. Мы попробовали еще несколько раз и убедились, что можем контролировать деформацию. Затем мы приступили к компрессионному формованию материала и обнаружили, что это довольно быстрый процесс".
Поведение материала противоречит общепринятым представлениям о том, как формируется керамика и какие нагрузки она способна выдержать. При экстремальных изменениях температуры эти материалы, скорее всего, треснут или разлетятся на куски. Но команда буквально раскалила материал паяльной лампой и он остался целым.
"Это уникальная технология. Согласно тому, что мы видели и читали, термоформируемой керамики фактически не существует", - рассказывает автор проекта Джейсон Байс. "Так что это новый рубеж в области материалов".
Дальнейшее изучение материалов выявило микроструктуру, благодаря которой они быстро передают тепло. Во время процессов формовки или термоформовки, которые обычно применяются к термопластичным полимерам и листовым металлам, специалисты обнаружили, что из керамики можно создавать сложные геометрические формы, сохраняя при этом хорошую механическую прочность и теплопроводность.
Также в пользу этого материала, с точки зрения его применения в электронике, говорит тот факт, что он не переносит электроны и не создает помех для радиочастот (РЧ). В смартфонах и других устройствах толстый слой алюминия используется для отвода тепла. Однако учитывая набор свойств керамического материала, его толщину менее миллиметра и способность адаптироваться к различным поверхностям, разработчики считают, что новый материал может использоваться в качестве более эффективных теплоотводящих элементов.
"Если вы поместите алюминиевый радиатор в радиочастотный компонент, вы, по сути, создадите ряд антенн, взаимодействующих с радиочастотным сигналом", - говорит Эрб. " Однако мы можем поместить наш материал на основе нитрида бора внутрь и вокруг радиочастотного компонента, и он будет практически невидим для радиосигнала".
Ученые получили грант на развитие технологии и в настоящее время планируют провести коммерциализацию через дочернюю компанию Fourier.
Исследование было опубликовано в журнале Advanced Materials.
Источники: Northeastern University, journal Advanced Materials.
1. (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202203939)
2. (https://news.northeastern.edu/2022/10/06/electronic-designs/)