A Silver Lining For Extreme Electronics

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Koti > lehdistö > Hopeavuori äärimmäiseen elektroniikkaan

MSU: n tutkijat kehittivät prosessin joustavamman piirin luomiseksi, jonka he osoittivat luomalla hopean Spartan-kypärän. Piirin on suunnitellut Jane Manfredi, apulaisprofessori eläinlääketieteen korkeakoulussa. Luotto: Acta Materialia Inc./Elsevier

Tiivistelmä:
Huomisen huipputeknologia tarvitsee elektroniikkaa, joka sietää äärimmäisiä olosuhteita. Siksi Michiganin osavaltion yliopiston Jason Nicholasin johtama tutkijaryhmä rakentaa nykyään vahvempia piirejä.

Hopeavuori äärimmäiseen elektroniikkaan

East Lansing, MI | Lähetetty 30. huhtikuuta 2021

Nicholas ja hänen tiiminsä ovat kehittäneet lämpöä kestävämpiä hopeapiirejä nikkelin avulla. Ryhmä kuvasi työtä, jonka rahoitti Yhdysvaltain energiaministeriön kiinteiden oksidien polttokenno-ohjelma, 15. huhtikuuta Scripta Materialia -lehdessä.

MSU-tiimin hyödyntämillä laitetyypeillä - seuraavan sukupolven polttokennot, korkean lämpötilan puolijohteet ja kiinteät oksidielektrolyysikennot - voi olla sovelluksia auto-, energia- ja avaruusteollisuudessa.

Vaikka et voi ostaa näitä laitteita nyt hyllyltä, tutkijat rakentavat niitä parhaillaan laboratorioissa testaamaan tosielämässä ja jopa muilla planeetoilla.

Esimerkiksi NASA kehitti kiinteän oksidielektrolyysikennon, jonka avulla Mars 2020 Perseverance Rover pystyi tuottamaan happea kaasusta Marsin ilmakehässä 22. huhtikuuta. NASA toivoo, että tämä prototyyppi johtaa jonain päivänä laitteisiin, joiden avulla astronautit voivat luoda rakettipolttoainetta ja hengittävää ilmaa ollessaan Marsilla.

Auttaakseen tällaisia prototyyppejä tulemaan kaupallisiksi tuotteiksi, heidän on kuitenkin ylläpidettävä suorituskykyään korkeissa lämpötiloissa pitkään, kertoi Nicholas, teknillisen korkeakoulun apulaisprofessori.

Hänet houkutteli tälle kentälle vuosien ajan kiinteiden oksidien polttokennojen käytön jälkeen, jotka toimivat päinvastoin kuin kiinteät oksidielektrolyysikennot. Sen sijaan, että käyttäisivät energiaa kaasujen tai polttoaineen luomiseen, ne luovat energiaa näistä kemikaaleista.

”Kiinteät oksidipolttoainekennot toimivat kaasujen kanssa korkeassa lämpötilassa. Pystymme reagoimaan sähkökemiallisesti noihin kaasuihin päästäkseen sähkön ulos, ja tämä prosessi on paljon tehokkaampi kuin räjähtävä polttoaine, kuten polttomoottori tekee ", kertoi Nicholas, joka johtaa kemian tekniikan ja materiaalitieteen osaston laboratoriota.

Mutta jopa ilman räjähdyksiä polttokennon on kestettävä kovat työolot.

"Nämä laitteet toimivat yleensä noin 700–800 celsiusastetta, ja heidän on tehtävä se pitkään - 40,000 1,300 tuntia elinaikanaan", Nicholas sanoi. Vertailun vuoksi, se on noin 1,400 - XNUMX astetta Fahrenheit, tai noin kaksinkertainen kaupallisen pizzauunin lämpötilaan.

"Ja tuon eliniän aikana pyöräilet sitä lämpötiellä", Nicholas sanoi. ”Jäähdytät sen ja lämmität sen takaisin. Se on hyvin äärimmäinen ympäristö. Voit saada piirijohdot irti. "

Joten yksi tämän edistyneen tekniikan esteistä on melko alkeellinen: Johtavan piirin, joka on usein valmistettu hopeasta, on tartuttava paremmin alla oleviin keraamisiin komponentteihin.

Tutkijoiden mielestä tartunnan parantamisen salaisuus oli lisätä huokoisen nikkelin välikerros hopean ja keraamisen väliin.

Suorittamalla kokeita ja tietokonesimulaatioita materiaalien vuorovaikutuksesta joukkue optimoi nikkelin kerrostamisen keraamiselle pinnalle. Ja luodakseen ohuet, huokoiset nikkelikerrokset keraamiselle valitsemallaan kuviolla tai mallilla, tutkijat kääntyivät silkkipainatukseen.

"Se on sama silkkipaino, jota käytetään T-paitojen tekemiseen", Nicholas sanoi. ”Tulostamme vain elektroniikkaa silkkipainojen sijaan. Se on erittäin valmistusystävällinen tekniikka. "

Kun nikkeli on paikallaan, joukkue saattaa sen kosketukseen hopean kanssa, joka on sulanut noin 1,000 celsiusasteen lämpötilassa. Nikkeli ei vain siedä sitä lämpöä - sen sulamispiste on 1,455 XNUMX astetta - mutta se myös jakaa nesteytetyn hopean tasaisesti hienojen ominaisuuksiensa päälle käyttämällä ns. Kapillaarivaikutusta.

"Se on melkein kuin puu", Nicholas sanoi. ”Puu saa vettä oksiinsa kapillaaritoiminnan kautta. Nikkeli imee sulan hopean samalla mekanismilla. "

Kun hopea on jäähtynyt ja jähmettynyt, nikkeli pitää sen lukittuna keraamiin, jopa 700-800 celsiusasteen lämmössä, jonka se kohdistuisi kiinteän oksidin polttokennon tai kiinteän oksidielektrolyysikennon sisällä. Ja tällä lähestymistavalla on potentiaalia auttaa myös muita tekniikoita, joissa elektroniikka voi toimia kuumana.

"On olemassa laaja valikoima sähköisiä sovelluksia, jotka vaativat piirilevyjä, jotka kestävät korkeita lämpötiloja tai suurta tehoa", sanoi Jon Debling, tekniikan johtaja MSU Technologiesista, Michiganin osavaltion teknisen siirron ja kaupallistamisen toimistosta. "Näitä ovat nykyiset sovellukset autoteollisuudessa, ilmailuteollisuudessa, teollisuudessa ja sotilasmarkkinoilla, mutta myös uudemmat, kuten aurinkokennot ja kiinteät oksidipolttoainekennot."

Teknologiapäällikkönä Debling pyrkii kaupallistamaan Spartan-innovaatioita ja pyrkii patentoimaan tämän prosessin kovemman elektroniikan luomiseksi.

"Tämä tekniikka on merkittävä parannus kustannusten ja lämpötilan vakauteen verrattuna nykyisiin tahna- ja höyrykerrostustekniikoihin", hän sanoi.

Nicholas puolestaan on edelleen eniten kiinnostunut horisontin uusimmista sovelluksista, kuten kiinteät oksidipolttoainekennot ja kiinteät oksidielektrolyysikennot.

"Pyrimme parantamaan heidän luotettavuuttaan maan päällä - ja Marsilla", Nicholas sanoi.

###

Hankkeeseen osallistuivat myös spartalaiset insinööritutkijat, apulaisprofessori Hui-Chia Yu, professori Timothy Hogan ja professori Thomas Bieler. Hankkeen jatko-opiskelijoiden tutkijoita olivat Genzhi Hu, Quan Zhou, Aiswarya Bhatlawande, Jiyun Park, Robert Termuhlen ja Yuxi Ma (Zhou, Bhatlawande ja Ma ovat valmistuneet sittemmin).

Yksi Brownin yliopiston projektin avustajista, professori Yue Qi, on myös yhteydessä MSU: han. Hän toimi tiedekuntana ja osallisuuden ja monimuotoisuuden avajaistekaanina dekaanina teknillisessä korkeakoulussa vuoteen 2020 saakka.

####

Saat lisätietoja napsauttamalla tätä

Yhteydet:
Caroline Brooks

@MSUnews

Tekijänoikeus © Michigan State University

Jos sinulla on kommentteja, kiitos Ota yhteyttä meille.

Lehdistötiedotteiden liikkeeseenlaskijat, eivät 7th Wave, Inc. tai Nanotechnology Now, ovat yksin vastuussa sisällön oikeellisuudesta.

Kirjanmerkki: