En sølvbeklædning til ekstrem elektronik

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Home > Presse > Sølvforing til ekstrem elektronik

MSU-forskere udviklede en proces til at skabe mere elastiske kredsløb, hvilket de demonstrerede ved at skabe en sølvfarvet spartansk hjelm. Kredsløbet er designet af Jane Manfredi, en assisterende professor ved College of Veterinary Medicine. Kredit: Acta Materialia Inc./Elsevier

Abstract:
Morgendagens banebrydende teknologi har brug for elektronik, der kan tåle ekstreme forhold. Det er derfor, en gruppe forskere ledet af Michigan State Universitys Jason Nicholas bygger stærkere kredsløb i dag.

En sølvforing til ekstrem elektronik

East Lansing, MI | Udgivet den 30. april 2021

Nicholas og hans team har udviklet mere varmebestandige sølvkredsløb med en assist fra nikkel. Holdet beskrev arbejdet, som blev finansieret af US Department of Energy Solid Oxide Fuel Cell Program, den 15. april i tidsskriftet Scripta Materialia.

De typer enheder, som MSU-teamet arbejder på at drage fordel af - næste generation af brændselsceller, højtemperaturhalvledere og fastoxidelektrolyseceller - kan have anvendelser i bil-, energi- og rumfartsindustrien.

Selvom du ikke kan købe disse enheder fra hylden nu, bygger forskere dem i øjeblikket i laboratorier for at teste dem i den virkelige verden og endda på andre planeter.

For eksempel udviklede NASA en elektrolysecelle med fast oxid, der gjorde det muligt for Mars 2020 Perseverance Rover at lave ilt fra gas i Mars atmosfære den 22. april. NASA håber, at denne prototype en dag vil føre til udstyr, der gør det muligt for astronauter at skabe raketbrændstof og åndbar luft mens man er på Mars.

For at hjælpe sådanne prototyper med at blive kommercielle produkter skal de dog bevare deres ydeevne ved høje temperaturer over lange perioder, sagde Nicholas, en lektor ved College of Engineering.

Han blev tiltrukket af dette felt efter år med brug af fastoxidbrændselsceller, der fungerer som fastoxidelektrolyseceller omvendt. I stedet for at bruge energi til at skabe gasser eller brændstof, skaber de energi fra disse kemikalier.

"Brændselsceller med fast oxid arbejder med gasser ved høj temperatur. Vi er i stand til at reagere elektrokemisk på disse gasser for at få elektricitet ud, og den proces er meget mere effektiv end eksploderende brændstof, som en forbrændingsmotor gør,” sagde Nicholas, der leder et laboratorium i afdelingen for kemiteknik og materialevidenskab.

Men selv uden eksplosioner skal brændselscellen modstå intense arbejdsforhold.

"Disse enheder fungerer normalt omkring 700 til 800 grader Celsius, og de skal gøre det i lang tid - 40,000 timer i løbet af deres levetid," sagde Nicholas. Til sammenligning er det cirka 1,300 til 1,400 grader Fahrenheit, eller omkring det dobbelte af temperaturen i en kommerciel pizzaovn.

"Og i løbet af den levetid cykler du den termisk," sagde Nicholas. "Du køler det ned og varmer det op igen. Det er et meget ekstremt miljø. Du kan få kredsløbsledninger til at springe af."

En af forhindringerne for denne avancerede teknologi er således temmelig rudimentær: Det ledende kredsløb, ofte lavet af sølv, skal klæbe bedre til de underliggende keramiske komponenter.

Hemmeligheden bag at forbedre vedhæftningen, fandt forskerne, var at tilføje et mellemlag af porøst nikkel mellem sølvet og keramikken.

Ved at udføre eksperimenter og computersimuleringer af, hvordan materialerne interagerer, optimerede holdet, hvordan det afsatte nikkel på keramikken. Og for at skabe de tynde, porøse nikkellag på keramikken i et mønster eller design efter eget valg, vendte forskerne sig til serigrafi.

"Det er det samme serigrafi, der bruges til at lave T-shirts," sagde Nicholas. "Vi screen-printer bare elektronik i stedet for skjorter. Det er en meget produktionsvenlig teknik."

Når nikkelen er på plads, sætter holdet den i kontakt med sølv, der er smeltet ved en temperatur på omkring 1,000 grader Celsius. Nikkel modstår ikke kun den varme - dets smeltepunkt er 1,455 grader Celsius - men det fordeler også det flydende sølv ensartet over dets fine egenskaber ved hjælp af det, der kaldes kapillærvirkning.

"Det er næsten som et træ," sagde Nicholas. ”Et træ får vand op til sine grene via kapillærvirkning. Nikkel transporterer det smeltede sølv op via den samme mekanisme."

Når først sølvet afkøles og størkner, holder nikkel det fastlåst til keramikken, selv i varmen på 700 til 800 grader Celsius, det ville vende inde i en fastoxidbrændselscelle eller en fastoxidelektrolysecelle. Og denne tilgang har også potentiale til at hjælpe andre teknologier, hvor elektronikken kan blive varm.

"Der er en lang række elektroniske applikationer, der kræver printkort, der kan modstå høje temperaturer eller høj effekt," sagde Jon Debling, en teknologichef hos MSU Technologies, Michigan State's kontor for teknologioverførsel og kommercialisering. "Disse omfatter eksisterende applikationer inden for bil-, rumfarts-, industri- og militærmarkeder, men også nyere såsom solceller og fastoxidbrændselsceller."

Som teknologichef arbejder Debling på at kommercialisere spartanske innovationer, og han arbejder på at hjælpe med at patentere denne proces for at skabe hårdere elektronik.

"Denne teknologi er en væsentlig forbedring - i omkostnings- og temperaturstabilitet - i forhold til eksisterende pasta- og dampaflejringsteknologier," sagde han.

For sin del er Nicholas stadig mest interesseret i de banebrydende applikationer i horisonten, ting som fastoxidbrændselsceller og fastoxidelektrolyseceller.

"Vi arbejder på at forbedre deres pålidelighed her på Jorden - og på Mars," sagde Nicholas.

###

De spartanske ingeniørforskere, adjunkt Hui-Chia Yu, professor Timothy Hogan og professor Thomas Bieler, bidrog også til projektet. Kandidatstuderende forskere på projektet omfattede Genzhi Hu, Quan Zhou, Aiswarya Bhatlawande, Jiyun Park, Robert Termuhlen og Yuxi Ma (Zhou, Bhatlawande og Ma er siden dimitteret).

En af projektets medledere ved Brown University, professor Yue Qi, har også bånd til MSU. Hun fungerede som fakultet og den konstituerende associerede dekan for inklusion og mangfoldighed i College of Engineering gennem 2020.

####

For mere information, klik link.

Kontaktpersoner:
Caroline Brooks

@MSUnews

Hvis du har en kommentar, tak Kontakt os.

Udstedere af nyhedsudgivelser, ikke 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, er alene ansvarlige for indholdets nøjagtighed.

Bogmærke: