A Silver Lining For Extreme Electronics

Publisert av Platon

Følgere: 0

Hjemprodukt > Press > Sølvfôr for ekstrem elektronikk

MSU-forskere utviklet en prosess for å lage mer spenstige kretser, som de demonstrerte ved å lage en sølvfarget spartansk hjelm. Kretsen ble designet av Jane Manfredi, en assisterende professor ved College of Veterinary Medicine. Kreditt: Acta Materialia Inc./Elsevier

Abstrakt:
Morgendagens banebrytende teknologi vil trenge elektronikk som tåler ekstreme forhold. Det er derfor en gruppe forskere ledet av Michigan State Universitys Jason Nicholas bygger sterkere kretsløp i dag.

Et sølvfôr for ekstrem elektronikk

East Lansing, MI | Lagt ut 30. april 2021

Nicholas og teamet hans har utviklet mer varmebestandige sølvkretser med en assist fra nikkel. Teamet beskrev arbeidet, som ble finansiert av U.S. Department of Energy Solid Oxide Fuel Cell Program, 15. april i tidsskriftet Scripta Materialia.

De typene enheter som MSU-teamet jobber for å dra nytte av – neste generasjons brenselceller, høytemperaturhalvledere og elektrolyseceller med fast oksid – kan ha bruksområder i bil-, energi- og romfartsindustrien.

Selv om du ikke kan kjøpe disse enhetene fra hyllen nå, bygger forskere dem for tiden i laboratorier for å teste i den virkelige verden, og til og med på andre planeter.

For eksempel utviklet NASA en elektrolysecelle med fast oksid som gjorde det mulig for Mars 2020 Perseverance Rover å lage oksygen fra gass i Mars-atmosfæren 22. april. NASA håper denne prototypen en dag vil føre til utstyr som lar astronauter lage rakettdrivstoff og pustende luft mens du er på Mars.

For å hjelpe slike prototyper til å bli kommersielle produkter, må de imidlertid opprettholde ytelsen ved høye temperaturer over lange perioder, sa Nicholas, en førsteamanuensis ved College of Engineering.

Han ble trukket til dette feltet etter år med bruk av fastoksidbrenselceller, som fungerer som fastoksidelektrolyseceller omvendt. I stedet for å bruke energi til å lage gasser eller drivstoff, skaper de energi fra disse kjemikaliene.

«Fastoksid brenselceller arbeider med gasser ved høy temperatur. Vi er i stand til å reagere elektrokjemisk på disse gassene for å få ut elektrisitet, og den prosessen er mye mer effektiv enn eksploderende drivstoff som en forbrenningsmotor, sier Nicholas, som leder et laboratorium i avdelingen for kjemiteknikk og materialvitenskap.

Men selv uten eksplosjoner må brenselcellen tåle intense arbeidsforhold.

"Disse enhetene fungerer vanligvis rundt 700 til 800 grader Celsius, og de må gjøre det i lang tid - 40,000 1,300 timer i løpet av livet," sa Nicholas. Til sammenligning er det omtrent 1,400 til XNUMX grader Fahrenheit, eller omtrent dobbelt så høy temperatur som en kommersiell pizzaovn.

"Og i løpet av den levetiden sykler du den termisk," sa Nicholas. "Du kjøler den ned og varmer den opp igjen. Det er et ekstremt miljø. Du kan få kretsledninger til å sprette av."

Derfor er en av hindringene for denne avanserte teknologien ganske rudimentær: De ledende kretsene, ofte laget av sølv, må holde seg bedre til de underliggende keramiske komponentene.

Hemmeligheten bak å forbedre vedheften, fant forskerne, var å legge et mellomlag av porøst nikkel mellom sølvet og keramikken.

Ved å utføre eksperimenter og datasimuleringer av hvordan materialene samhandler, optimaliserte teamet hvordan det avsatte nikkel på keramikken. Og for å lage de tynne, porøse nikkellagene på keramikken i et mønster eller design etter eget valg, vendte forskerne seg til silketrykk.

"Det er samme silketrykk som brukes til å lage T-skjorter," sa Nicholas. "Vi trykker bare elektronikk i stedet for skjorter. Det er en veldig produksjonsvennlig teknikk."

Når nikkelen er på plass, setter teamet den i kontakt med sølv som er smeltet ved en temperatur på rundt 1,000 grader Celsius. Nikkelen tåler ikke bare den varmen - smeltepunktet er 1,455 grader Celsius - men det fordeler også det flytende sølvet jevnt over dets fine egenskaper ved å bruke det som kalles kapillærvirkning.

"Det er nesten som et tre," sa Nicholas. «Et tre får vann opp til grenene via kapillærvirkning. Nikkelen transporterer opp det smeltede sølvet via den samme mekanismen."

Når sølvet avkjøles og størkner, holder nikkelen det låst på keramikken, selv i varmen på 700 til 800 grader Celsius ville det vende seg inne i en fast oksid brenselcelle eller en solid oksid elektrolysecelle. Og denne tilnærmingen har også potensial til å hjelpe andre teknologier, der elektronikk kan bli varmt.

"Det finnes et bredt utvalg av elektroniske applikasjoner som krever kretskort som tåler høye temperaturer eller høy effekt," sa Jon Debling, en teknologisjef ved MSU Technologies, Michigan State sitt kontor for teknologioverføring og kommersialisering. "Disse inkluderer eksisterende applikasjoner innen bil-, romfarts-, industri- og militærmarkeder, men også nyere som solceller og fastoksidbrenselceller."

Som teknologisjef jobber Debling med å kommersialisere spartanske innovasjoner, og han jobber med å patentere denne prosessen for å lage tøffere elektronikk.

"Denne teknologien er en betydelig forbedring - i kostnads- og temperaturstabilitet - i forhold til eksisterende pasta- og dampavsetningsteknologier," sa han.

For sin del er Nicholas fortsatt mest interessert i de banebrytende applikasjonene i horisonten, ting som fastoksidbrenselceller og fastoksidelektrolyseceller.

"Vi jobber med å forbedre påliteligheten deres her på jorden - og på Mars," sa Nicholas.

# # #

Spartanske ingeniørforskere bidro også til prosjektet, adjunkt Hui-Chia Yu, professor Timothy Hogan og professor Thomas Bieler. Graduate student forskere på prosjektet inkluderte Genzhi Hu, Quan Zhou, Aiswarya Bhatlawande, Jiyun Park, Robert Termuhlen og Yuxi Ma (Zhou, Bhatlawande og Ma har siden blitt uteksaminert).

En av prosjektets medledere ved Brown University, professor Yue Qi, har også bånd til MSU. Hun fungerte som fakultet og den første assisterende dekanen for inkludering og mangfold i College of Engineering gjennom 2020.

####

For mer informasjon, klikk her.

Kontakter:
Caroline Brooks

@MSUNyheter

Hvis du har en kommentar, vær så snill Kontakt oss.

Utstedere av nyhetsutgivelser, ikke 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, er alene ansvarlig for nøyaktigheten av innholdet.

Bokmerke: