Science des matériaux
Nouvelles recherches montrent comment construire des matériaux efficaces pour une gestion thermique supérieure
Nous reconnaissons souvent les matériaux en fonction de leurs propriétés. Cependant, les progrès réalisés dans la science et l’ingénierie des matériaux ont rendu possible la production de matériaux qui combinent des propriétés inhabituelles, souvent en contraste frappant les unes avec les autres.
Dans un exemple récent, une équipe de chercheurs a démontré la possibilité de matériaux conçus qui sont à la fois rigides et capables d’offrir des propriétés d’isolation lorsqu’ils sont exposés à la chaleur.
Selon Jun Liu, co-auteur correspondant d’un article sur le travail et professeur agrégé de génie mécanique et aérospatiale à l’Université d’État de Caroline du Nord a déclaré ce qui suit sur l’unicité de la découverte et le matériau:
“Nous avons maintenant découvert une gamme de matériaux qui sont à la fois rigides et d’excellents isolants thermiques. De plus, nous pouvons concevoir les matériaux selon nos besoins pour contrôler leur rigidité et leur conductivité thermique.”
Habituellement, on constate que les matériaux ayant un module élastique élevé, une propriété qui se manifeste par une rigidité accrue, ne sont pas isolants. Ils sont, au contraire, fortement conducteurs thermiques.
Mais qu’est-ce qui se passe si nous avons besoin de matériaux qui agissent comme de bons isolants sans perdre leur rigidité ? Ces matériaux seront utiles dans des scénarios impliquant la création de revêtements d’isolation thermique pour protéger les appareils électroniques des températures élevées.
En approfondissant le matériau et en demandant plus d’informations sur la recherche, on constate que les matériaux sur lesquels les chercheurs ont travaillé sont un sous-ensemble des pérovskites hybrides organiques-inorganiques bidimensionnelles (2D HOIP). Ces matériaux se composent de couches minces qui consistent en des couches organiques et inorganiques alternées dans une structure cristalline hautement ordonnée. Ce qui ajoute à leur valeur, c’est qu’il est possible de régler la composition de la couche inorganique ou organique.
Le processus implique le remplacement des chaînes de carbone-carbone dans les couches organiques de ces matériaux par des anneaux de benzène. Cela conduit à un scénario dans lequel il est possible de contrôler ou de réguler le module élastique et la conductivité thermique.
La recherche a aidé l’équipe à élaborer au moins trois matériaux 2D HOIP distincts qui sont devenus moins conducteurs thermiques à mesure qu’ils sont devenus plus rigides.
En plus de la création de matériaux rigides et isolants, la recherche a également permis d’introduire de la chiralité dans les couches organiques, ce qui implique que la même rigidité et conductivité thermique pourraient être maintenues sans avoir à apporter des changements importants à la composition des couches organiques. Des progrès supplémentaires dans cet aspect pourraient garantir la possibilité d’optimiser d’autres caractéristiques de ces matériaux sans s’inquiéter de l’impact de ces changements sur la rigidité ou la conductivité thermique d’un matériau.
Lorsqu’il s’agit d’évaluer le potentiel d’application de ces matériaux, de nombreuses entreprises peuvent en bénéficier. Ces entreprises ont les ressources de R&D pour faire progresser cette recherche, l’essayer à plus grande échelle et intégrer ses avantages dans leur gamme de produits existante ou créer une nouvelle gamme de produits. Dans les segments suivants, nous discutons de quelques-unes de ces entreprises et examinons les moyens par lesquels ces entreprises peuvent adopter cette innovation.
#1. Owens Corning
La gamme de produits Foamular d’Owens Corning comprend une isolation en polystyrène extrudé de haute performance. Le polystyrène extrudé est constitué de cellules fermées et offre une rugosité de surface améliorée, une rigidité plus élevée et une conductivité thermique réduite.
Son polystyrène extrudé de haute performance offre une isolation grâce à un produit qui est durable, polyvalent et résilient et qui convient à une gamme d’utilisations dans l’architecture, le génie et la construction. En plus de ses propriétés d’isolation, les matériaux sont également résistants à l’humidité.
Owens Corning a un processus de fabrication propriétaire nommé Hydrovac qui fabrique ces solutions. Le processus offre une structure de cellules fermées cohérente, sans vide, qui maintient l’humidité à l’extérieur tout en fournissant une valeur R de 5 par pouce d’épaisseur. Dans le contexte de l’isolation, la valeur R est une mesure de la capacité de l’isolation d’un bâtiment à empêcher le flux de chaleur à l’intérieur et à l’extérieur de la maison. Plus la valeur R est élevée, plus les performances de l’isolant sont élevées.
Le produit a des résistances à la compression allant de 15 à 100 psi et est fabriqué conformément à la norme ASTM C5781. Il pourrait être le choix idéal pour les assemblages de toit de membrane protégée (PRMA) pour les toits végétalisés, qui peuvent supporter les sols humides et les charges. De plus, il est léger, facile à manipuler et compatible avec les revêtements et les finitions extérieures courants. Non seulement le produit offre jusqu’à 13 fois plus de résistance à l’eau que l’isolation EPS conventionnelle, mais il conserve également au moins 90 % de sa valeur R sur 20 ans.
La recherche sur les pérovskites hybrides organiques-inorganiques (2D HOIP) que nous avons discutée dans le segment précédent pourrait offrir à Owens Corning de nouvelles voies pour accroître son leadership dans ce domaine.
(OC )
Fondée en 1938 et basée à Toledo, dans l’Ohio, Owens Corning a enregistré un chiffre d’affaires net de 9,7 milliards de dollars en 2023.
#2. Gore
Pendant que nous discutions de la recherche sur les 2D HOIP, nous avons vu que les matériaux avaient le potentiel d’offrir une isolation thermique aux matériaux électroniques. Gore, une entreprise spécialisée dans l’isolation thermique pour les appareils mobiles, bénéficiera de ces matériaux et de la recherche.
L’isolation thermique Gore est une solution de gestion thermique avancée qui a une conductivité inférieure à celle de l’air. Elle peut augmenter la flexibilité de conception et la capacité du concepteur à diriger la chaleur grâce à un contrôle accru de la conductivité thermique en z. Un contrôle amélioré de la conductivité en z signifie de meilleures options de répartition qui aident les composants à fonctionner à des niveaux plus élevés pendant de plus longues périodes, à accommoder des facteurs de forme réduits et à répondre aux exigences de température de surface.
En plus de ses propriétés d’isolation thermique sophistiquées, la solution Gore présente d’autres avantages en termes de performances, notamment qu’elle est facile à intégrer et qu’elle est appuyée par une équipe d’ingénieurs qui fournit des conseils de conception et une intégration de modélisation dès le début du cycle de conception jusqu’à la commercialisation.
Fondée par Bill et Vieve Gore en 1959 et basée à Newark, dans le Delaware, aux États-Unis, Gore a un chiffre d’affaires annuel de 4,8 milliards de dollars.
Recherche complémentaire sur la dynamique entre la nature des matériaux et leur conductivité thermique
L’isolation a un large potentiel d’application. Finalement, la plupart des espaces et des matériaux de notre vie quotidienne nécessitent une protection contre la chaleur. Il est tout à fait naturel que tous les types de matériaux ne conviennent pas à chaque scénario d’application.
Recherche sur les performances d’isolation thermique et son impact sur la qualité de l’air intérieur des matériaux d’isolation thermique à base de cellulose a étudié divers facteurs influençant la conductivité thermique. Ces facteurs incluaient le type de matière première utilisée, les processus de fabrication, la densité, le contenu d’humidité et la température de l’environnement de test.
La recherche a également souligné certaines corrélations qui s’avéreraient nécessaires pour développer des matériaux ayant des propriétés d’isolation supérieures et uniques. Par exemple, la recherche a noté que l’humidité affectait négativement les performances thermiques. Inversement, une augmentation de la densité, obtenue par compression du matériau, tendait à réduire la conductivité thermique, en particulier pour les matériaux ayant des espaces d’air uniformément répartis.
La recherche a approfondi pour lister des compositions de produits spécifiques dont les performances thermiques étaient les meilleures à leurs densités naturelles. Un produit était composé d’acétate de cellulose, de filtres de cigarettes usagés, de papier de cigarettes usagé et de papier d’aluminisé usagé. Un autre était composé de papiers de rebut uniquement.
Lorsqu’il s’agit de capacité de sorption, l’intensification de sorption la plus évidente a pu être trouvée dans le cas du matériau d’isolation thermique fabriqué à partir de fibres de bois et de celui fabriqué à partir de cellulose provenant de cartons de rebut, de produits de traitement médiocres et de produits inhomogènes.
La recherche a été considérée comme utile car elle a analysé les matériaux d’isolation thermique fabriqués à partir de déchets agro-industriels recyclés. Ces matériaux, souvent présents dans les matériaux de construction, sont restés sous-développés.
La recherche qui a déclenché notre discussion actuelle visait à protéger les biens électroniques de la chaleur. Il existe également des exemples de recherches menées dans ce domaine. Une équipe de chercheurs de l’Université de Xi’an Jiaotong, Xi’an, Chine, a mené une étude expérimentale sur la protection thermique active pour les appareils électroniques utilisés dans l’exploration de l’environnement de forage profond. Dans le prochain segment, nous allons approfondir cette recherche et ses résultats.
Protection thermique active pour les appareils électroniques utilisés dans l’exploration de l’environnement de forage profond
Commençons par ce qu’est l’exploration de l’environnement de forage profond. Il s’agit de l’un des domaines d’application les plus critiques des appareils électroniques, dans lesquels les appareils sont utilisés pour exploiter et extraire le pétrole de schiste. Le défi provient du fait qu’il s’agit d’une zone de température élevée combinée à une pression élevée. Les conditions thermiques dans ces espaces pourraient être si sévères qu’elles pourraient mettre en péril le fonctionnement sécuritaire des composants électroniques. Les chercheurs, dans ce cas, ont étudié un système d’isolation thermique actif composé d’une plaque de refroidissement annulaire en spirale (ACP), d’un conteneur de stockage thermique avec un matériau à changement de phase (PCM) et d’une matrice d’aérogel (AM).
L’équipe a mesuré expérimentalement l’impact de la structure de l’ACP, de la disposition et du débit de fluide de travail sur les performances de protection contre la chaleur. Les performances impliquaient deux paramètres : la capacité de contrôle de la température et le temps de fonctionnement du système.
La recherche a constaté qu’une couche de matrice d’aérogel était nécessaire et que le boîtier interne de l’ACP affichait de meilleures performances de protection thermique. L’étude a également proposé une plaque de refroidissement annulaire (ACP) avec un flux en spirale pour une protection thermique hybride avec un matériau d’isolation pour une utilisation dans les environnements de forage profond.
Une autre étude, menée en 2022 et publiée dans la revue Nature, a examiné les substrats de protection thermique souples et extensibles pour les appareils électroniques portables.
Substrats de protection thermique souples et extensibles pour les appareils électroniques portables
De nombreuses applications médicales aujourd’hui sont basées sur l’utilisation efficace des appareils électroniques portables. Dans ce sens, ces produits nécessitent une manipulation soigneuse. Cependant, pendant les opérations, ces appareils peuvent surchauffer, provoquant des désagréments thermiques ou des dommages à la peau. Une équipe de chercheurs a cherché des matériaux et des structures qui pourraient offrir une protection thermique avancée.
Ils ont signalé un substrat de protection thermique souple et extensible présentant une conception composite. Il se compose du matériau polymère très populaire polydiméthylsiloxane avec des microsphères absorbant la chaleur incorporées, consistant en des matériaux à changement de phase encapsulés à l’intérieur de la coque de résine.
Les résultats ont été prometteurs car le substrat pouvait être soumis à des déformations complexes de plus de 150 % et pouvait réduire l’augmentation de la température de la peau de 82 % ou plus sous optimisation.
Matériau améliorant les performances du système en régime permanent dans un Google Pixel 3XL soumis à un stress thermique
Un autre exemple intéressant de sélection du matériau d’isolation thermique approprié impliquait l’utilisation de feuilles de graphite avec une capacité de répartition ultra-élevée et de feuilles d’isolation avec une conductivité thermique ultra-basse. Ceux-ci ont été déployés sur un Google Pixel 3XL modifié pour réduire les températures de toucher (peau).
Le déploiement a été effectué pour minimiser l’impact de la température de jonction de l’appareil par rapport aux solutions d’isolation autonomes comme l’air ou le graphite, tout en améliorant les performances du système de l’appareil en régime permanent. Quatre solutions thermiques uniques de même épaisseur (~350 µm) ont été fabriquées pour l’expérience. Par la suite, ces solutions ont été soumises à des tests de stress thermique sur le Pixel via 3DMark—Sling Shot Extreme.
Les résultats ont été prometteurs. Les températures de toucher en régime permanent ont baissé de jusqu’à 3,2°C avec une augmentation de moins de 1°C de la température de jonction maximale (TJ) par rapport aux solutions thermiques à composant unique de graphite, d’isolation et d’air.
La recherche a conclu que les composites d’isolation-graphite à haute performance pourraient offrir une utilité significative pour permettre aux architectures de l’électronique mobile de haute puissance et minces. Cependant, la configuration de conception optimale peut varier, car chaque système d’électronique mobile peut présenter des défis thermiques uniques en raison de sa diversité de puissance de système et d’espace disponible.
Dans l’ensemble, la conservation de la chaleur est une pratique qui a un potentiel immense pour nous aider à atteindre les modèles de durabilité que nous voulons pour un avenir plus vert. Toute recherche sur l’isolation efficace ou la gestion thermique est essentiellement une recherche sur les matériaux, en examinant leurs propriétés uniques et en les optimisant au besoin. Les tendances actuelles de la recherche montrent que suffisamment de travail est déjà effectué dans cette direction. Les efforts ne feront qu’intensifier dans les jours à venir.
