I ricercatori sviluppano la ceramica termoformabile, "una nuova frontiera dei materiali"

Oct 06, 2023

7 ottobre 2022

di Ian Thomsen, Northeastern University

È stato uno di quei felici incidenti della scienza. Il professore del nord-est Randall Erb e il Ph.D. Lo studente Jason Bice stava lavorando a un prodotto per un cliente universitario e si è ritrovato con una classe di materiale completamente nuova.

La loro scoperta di un materiale interamente ceramico che può essere stampato a compressione in parti complesse – una svolta nel settore – potrebbe trasformare la progettazione e la costruzione di dispositivi elettronici che emettono calore, compresi i telefoni cellulari e altri componenti radio.

"La vita del nostro gruppo di ricerca è situata all'avanguardia della tecnologia", afferma Erb, professore associato di ingegneria meccanica e industriale che dirige il DAPS Lab della Northeastern. "Le cose si rompono spesso, e ogni tanto una di quelle rotture si rivela una fortuna."

Lo scorso luglio, Erb era nel suo laboratorio nel nord-est con Bice, che da allora ha conseguito un dottorato di ricerca in ingegneria meccanica. Stavano testando un composto ceramico sperimentale come parte di un progetto ipersonico per un partner industriale quando qualcosa sembrava andare storto.

"Lo abbiamo fatto saltare con una fiamma ossidrica e, mentre lo caricavamo, si è deformato inaspettatamente ed è caduto dall'apparecchio", dice Erb. "Abbiamo guardato il campione sul pavimento pensando che fosse un fallimento."

Un esame più attento ha dato il via a una rivelazione.

"Ci siamo resi conto che era perfettamente intatto", dice Erb. "Aveva semplicemente una forma diversa."

La ceramica tende a fratturarsi (o addirittura a esplodere) a causa dello shock termico se sottoposta a sbalzi termici estremi e carichi meccanici. Ma il loro campione si era deformato con grazia.

"L'abbiamo provato ancora qualche volta e ci siamo resi conto che potevamo controllare la deformazione", dice Erb. "Poi abbiamo iniziato a modellare a compressione il materiale e abbiamo scoperto che si trattava di un processo molto veloce."

La sua microstruttura sottostante consente in modo esclusivo alla ceramica integrale di trasmettere rapidamente il calore e fluire in modo efficace durante il processo di stampaggio. La ceramica può essere modellata in geometrie squisite e mostra un'impressionante resistenza meccanica e conduttività termica a temperatura ambiente, afferma Erb, i cui risultati sono stati recentemente pubblicati su Advanced Materials.

Erb e Bice stanno sviluppando il prodotto tramite la loro startup, Fourier LLC, dal nome del matematico francese Joseph Fourier, che studiò il flusso di calore nella ceramica due secoli fa. Fourier ha ricevuto un premio Spark Fund di 50.000 dollari dal Centro per l'innovazione della ricerca della Northeastern.

"È unico: le ceramiche termoformabili, da quello che abbiamo visto e letto, in realtà non esistono", dice Bice. "Quindi è una nuova frontiera nei materiali."

Il nuovo prodotto ha il potenziale per introdurre due miglioramenti nel settore, a partire dalla sua efficienza come conduttore di calore in grado di raffreddare i componenti elettronici ad alta densità.

In generale, i cellulari e altri dispositivi elettronici sono dotati di uno spesso strato di alluminio, necessario per allontanare il calore dall'unità.

"Il nostro materiale può avere uno spessore inferiore a un millimetro, il che rappresenta una soluzione a basso profilo", afferma Bice. "Può essere modellato per adattarsi alla superficie che stai cercando di raffreddare."

La ceramica a base di cristalli fononici consente al calore di fluire senza trasporto di elettroni, afferma Erb. Non interferisce con le frequenze radio (RF) dei cellulari e di altri sistemi.

"Se inserisci un dissipatore di calore in alluminio in un componente RF, hai sostanzialmente introdotto una serie di antenne per interagire con il segnale RF", afferma Erb. "Invece, possiamo inserire il nostro materiale a base di nitruro di boro dentro e attorno a un componente RF ed è essenzialmente invisibile al segnale RF."

L'altro miglioramento, dice Erb, è che può essere adattato direttamente al componente elettrico. Echo St. Germain, uno studente di ingegneria meccanica del quinto anno alla Northeastern che presta servizio come ricercatore ceramico e ingegnere di ricerca e sviluppo presso Fourier, ha dimostrato il comportamento non newtoniano della ceramica sottoponendone un impasto grumoso a vibrazioni normali nel processo di produzione ; ha immediatamente liquefatto e organizzato la struttura del materiale. Tali fanghi vengono utilizzati per produrre la ceramica modellabile.