Ett silverfoder för extrem elektronik

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Hem > Presse > Ett silverfoder för extrem elektronik

MSU-forskare utvecklade en process för att skapa mer elastiska kretsar, vilket de demonstrerade genom att skapa en silver-spartansk hjälm. Kretsen designades av Jane Manfredi, en biträdande professor vid College of Veterinary Medicine. Upphovsman: Acta Materialia Inc./Elsevier

Sammanfattning:
Morgondagens banbrytande teknik behöver elektronik som tål extrema förhållanden. Det är därför en grupp forskare som leds av Michigan State University Jason Nicholas bygger starkare kretsar idag.

Ett silverfoder för extrem elektronik

East Lansing, MI | Upplagt den 30 april 2021

Nicholas och hans team har utvecklat mer värmebeständiga silverkretsar med hjälp av nickel. Teamet beskrev arbetet, som finansierades av US Department of Energy Solid Oxide Fuel Cell Program, den 15 april i tidskriften Scripta Materialia.

De typer av enheter som MSU-teamet arbetar för att dra nytta av - nästa generations bränsleceller, högtemperatur halvledare och elektrolysceller med fast oxid - kan ha tillämpningar inom auto-, energi- och rymdindustrin.

Även om du inte kan köpa dessa enheter från hyllan nu bygger forskare dem för närvarande i laboratorier för att testa i den verkliga världen och till och med på andra planeter.

Till exempel utvecklade NASA en elektrolyscell med solid oxid som gjorde det möjligt för Mars 2020 Perseverance Rover att framställa syre från gas i Mars-atmosfären den 22 april. NASA hoppas att denna prototyp en dag kommer att leda till utrustning som gör det möjligt för astronauter att skapa raketbränsle och luft som andas medan du var på Mars.

För att hjälpa sådana prototyper att bli kommersiella produkter måste de dock behålla sina prestanda vid höga temperaturer under långa perioder, säger Nicholas, docent vid College of Engineering.

Han drogs till detta område efter år av att använda fasta oxidbränsleceller, som fungerar som fastoxidelektrolysceller i omvänd ordning. I stället för att använda energi för att skapa gaser eller bränsle, skapar de energi från dessa kemikalier.

”Fastoxidbränsleceller arbetar med gaser vid hög temperatur. Vi kan elektrokemiskt reagera dessa gaser för att få ut el och den processen är mycket effektivare än att explodera bränsle som en förbränningsmotor gör, säger Nicholas, som leder ett laboratorium vid kemiteknik och materialvetenskapliga avdelningen.

Men även utan explosioner måste bränslecellen klara intensiva arbetsförhållanden.

"Dessa enheter arbetar vanligtvis runt 700 till 800 grader Celsius, och de måste göra det under lång tid - 40,000 timmar under sin livstid", säger Nicholas. Som jämförelse är det ungefär 1,300 till 1,400 grader Fahrenheit, eller ungefär dubbelt så hög temperatur som en kommersiell pizzaugn.

"Och under den livstiden cyklar du termiskt", sa Nicholas. ”Du kyler ner det och värmer upp det igen. Det är en mycket extrem miljö. Du kan få kretsledningar att springa av. ”

Således är ett av hindren inför denna avancerade teknik ganska rudimentär: De ledande kretsarna, ofta tillverkade av silver, måste hålla sig bättre vid de underliggande keramiska komponenterna.

Hemligheten med att förbättra vidhäftningen, fann forskarna, var att lägga till ett mellanliggande lager av porös nickel mellan silver och keramik.

Genom att utföra experiment och datorsimuleringar av hur materialen interagerar optimerade teamet hur det deponerade nickel på keramiken. Och för att skapa de tunna, porösa nickelskikten på keramiken i ett mönster eller en design som de valde, vände forskarna sig till screentryck.

"Det är samma screentryck som används för att göra T-shirts", sa Nicholas. ”Vi är bara screentryckande elektronik istället för skjortor. Det är en mycket tillverkningsvänlig teknik. ”

När nickeln är på plats sätter teamet det i kontakt med silver som smälts vid en temperatur på cirka 1,000 grader Celsius. Nicklet tål inte bara den värmen - dess smältpunkt är 1,455 XNUMX grader Celsius - men den fördelar också det flytande silveret jämnt över sina fina funktioner med hjälp av vad som kallas kapillärverkan.

"Det är nästan som ett träd," sa Nicholas. ”Ett träd får vatten upp till grenarna via kapilläråtgärd. Nicklet suger upp det smälta silveret via samma mekanism. ”

När silver har svalnat och stelnat håller nicklet det låst på keramiken, även i värmen på 700 till 800 grader Celsius skulle det möta inuti en fastoxidbränslecell eller en solidoxidelektrolyscell. Och detta tillvägagångssätt har också potential att hjälpa andra tekniker, där elektronik kan bli varm.

"Det finns ett brett utbud av elektroniska applikationer som kräver kretskort som tål höga temperaturer eller hög effekt", säger Jon Debling, en teknikchef vid MSU Technologies, Michigan State's tech transfer and commercialization office. "Dessa inkluderar befintliga applikationer inom fordons-, flyg-, industri- och militärmarknader, men också nyare sådana som solceller och bränsleceller med fast oxid."

Som teknologichef arbetar Debling för att kommersialisera spartanska innovationer och han arbetar för att patentera denna process för att skapa hårdare elektronik.

"Denna teknik är en betydande förbättring - i kostnads- och temperaturstabilitet - jämfört med befintlig teknik för pasta- och ångavsättning", sa han.

För sin del är Nicholas fortfarande mest intresserad av de banbrytande applikationerna i horisonten, saker som fasta oxidbränsleceller och fastoxidelektrolysceller.

"Vi arbetar för att förbättra deras tillförlitlighet här på jorden - och på Mars", sa Nicholas.

# # #

Dessutom deltog spartanska ingenjörsforskare biträdande professor Hui-Chia Yu, professor Timothy Hogan och professor Thomas Bieler. Doktorandforskare i projektet inkluderade Genzhi Hu, Quan Zhou, Aiswarya Bhatlawande, Jiyun Park, Robert Termuhlen och Yuxi Ma (Zhou, Bhatlawande och Ma har sedan dess examen).

En av projektets coleaders vid Brown University, professor Yue Qi, har också anknytning till MSU. Hon fungerade som fakultet och inledande associerad dekan för integration och mångfald i College of Engineering fram till 2020.

####

För mer information, klicka på här.

Kontaktpersoner:
Caroline Brooks

@MSUNyheter

Om du har en kommentar, snälla Kontakta oss oss.

Emittenter av nyhetsmeddelanden, inte 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, är ensamma ansvariga för innehållets noggrannhet.

Bokmärke: