Forscher entwickeln thermoformbare Keramik, „eine neue Grenze der Materialien“

Oct 06, 2023

7. Oktober 2022

von Ian Thomsen, Northeastern University

Es war einer dieser glücklichen Zufälle der Wissenschaft. Nordostprofessor Randall Erb und Ph.D. Der Student Jason Bice arbeitete an einem Produkt für einen Universitätskunden – und kam dabei auf eine völlig neue Materialklasse.

Ihre Entdeckung einer Vollkeramik, die zu komplexen Teilen formgepresst werden kann – ein Branchendurchbruch – könnte das Design und die Konstruktion wärmeabgebender Elektronik, einschließlich Mobiltelefonen und anderer Funkkomponenten, verändern.

„Das Leben unserer Forschungsgruppe ist auf dem neuesten Stand der Technik angesiedelt“, sagt Erb, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen, der das DAPS Lab an der Northeastern leitet. „Es geht oft kaputt, und hin und wieder erweist sich einer dieser Brüche als Glücksfall.“

Im vergangenen Juli war Erb mit Bice in seinem nordöstlichen Labor, die inzwischen einen Doktortitel im Maschinenbau erworben hat. Sie testeten im Rahmen eines Hyperschallprojekts für einen Industriepartner eine experimentelle Keramikverbindung, als etwas schief zu gehen schien.

„Wir haben es mit einer Lötlampe abgestrahlt und beim Laden verformte es sich unerwartet und fiel aus der Halterung“, sagt Erb. „Wir haben uns die Probe auf dem Boden angesehen und dachten, es sei ein Fehlschlag.“

Eine genauere Untersuchung ergab eine Offenbarung.

„Wir stellten fest, dass es vollkommen intakt war“, sagt Erb. „Es war einfach anders geformt.“

Keramik neigt dazu, durch Thermoschock zu brechen (oder sogar zu explodieren), wenn sie extremen Hitzeschwankungen und mechanischer Belastung ausgesetzt wird. Aber ihre Probe hatte sich elegant verformt.

„Wir haben es noch ein paar Mal versucht und festgestellt, dass wir die Verformung kontrollieren können“, sagt Erb. „Und dann begannen wir mit dem Formpressen des Materials und stellten fest, dass es ein sehr schneller Prozess war.“

Die zugrunde liegende Mikrostruktur ermöglicht der Vollkeramik auf einzigartige Weise eine schnelle Wärmeübertragung und einen effektiven Fluss während des Formprozesses. Die Keramik lässt sich zu exquisiten Geometrien formen und weist bei Raumtemperatur eine beeindruckende mechanische Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit auf, sagt Erb, dessen Ergebnisse kürzlich in Advanced Materials veröffentlicht wurden.

Erb und Bice entwickeln das Produkt über ihr Startup Fourier LLC – benannt nach dem französischen Mathematiker Joseph Fourier, der vor zwei Jahrhunderten den Wärmefluss in Keramik untersuchte. Fourier hat vom Northeastern Center for Research Innovation einen Spark Fund-Preis in Höhe von 50.000 US-Dollar erhalten.

„Es ist einzigartig: Thermoformbare Keramik gibt es nach dem, was wir gesehen und gelesen haben, nicht wirklich“, sagt Bice. „Es handelt sich also um eine neue Grenze für Materialien.“

Das neue Produkt hat das Potenzial, zwei Branchenverbesserungen einzuführen, angefangen bei seiner Effizienz als Wärmeleiter, der hochdichte Elektronik kühlen kann.

Im Allgemeinen sind Mobiltelefone und andere elektronische Geräte mit einer voluminösen Aluminiumschicht ausgestattet, die notwendig ist, um die Wärme vom Gerät abzuleiten.

„Unser Material kann weniger als einen Millimeter dick sein, was eine Lösung mit niedrigem Profil darstellt“, sagt Bice. „Es kann so geformt werden, dass es sich an die Oberfläche anpasst, die Sie kühlen möchten.“

Die auf Phononkristallen basierende Keramik ermöglicht den Wärmefluss ohne Elektronentransport, sagt Erb. Es stört die Funkfrequenzen (RF) von Mobiltelefonen und anderen Systemen nicht.

„Wenn man einen Aluminiumkühlkörper in eine HF-Komponente einbaut, hat man im Grunde eine Reihe von Antennen eingeführt, die mit dem HF-Signal interagieren“, sagt Erb. „Stattdessen können wir unser auf Bornitrid basierendes Material in und um eine HF-Komponente platzieren und es ist für das HF-Signal im Wesentlichen unsichtbar.“

Die andere Verbesserung besteht laut Erb darin, dass es direkt mit dem elektrischen Bauteil formschlüssig verbunden werden kann. Echo St. Germain, ein Maschinenbaustudent im fünften Jahr an der Northeastern University, der als Keramikforscher und Forschungs- und Entwicklungsingenieur bei Fourier arbeitet, demonstrierte das nicht-Newtonsche Verhalten der Keramik, indem er eine klumpige Aufschlämmung Vibrationen aussetzte, die für den Herstellungsprozess normal sind ; es verflüssigte und organisierte sofort die Struktur des Materials. Solche Schlämme werden zur Herstellung der formbaren Keramiken verwendet.

Erb und Bice glauben, dass sie die vollkeramischen Materialien formschlüssig an alle Arten von elektrischen Bauteilen anpassen können. Die Keramik wird dünner, leichter und effizienter sein als die derzeit verwendeten Metalle.

Bice hat das Startup von München aus mitgegründet, wo seine Frau einen neuen Job angetreten hat.

„Die Gründung eines Unternehmens mit Sitz in Boston, während ich in Deutschland bin, bringt einige interessante Komplikationen mit sich – aber auch Chancen“, sagt Bice, der sich mit Erb in der Kundengewinnung sowohl in Europa als auch in den USA engagiert

Mehr Informationen: Jason E. Bice et al., Thermoformbare Vollkeramik auf Bornitridbasis, Advanced Materials (2022). DOI: 10.1002/adma.202203939

Zeitschrifteninformationen:Fortgeschrittene Werkstoffe

Zur Verfügung gestellt von der Northeastern University