Investigadores desarrollan cerámica termoformable, 'una nueva frontera en materiales'

Oct 06, 2023

7 de octubre de 2022

por Ian Thomsen, Universidad del Noreste

Fue uno de esos felices accidentes de la ciencia. El profesor del noreste Randall Erb y Ph.D. El estudiante Jason Bice estaba trabajando en un producto para un cliente universitario y terminó con una clase de material completamente nueva.

Su descubrimiento de una cerámica sin metal que se puede moldear por compresión en piezas complejas (un gran avance en la industria) podría transformar el diseño y la construcción de componentes electrónicos emisores de calor, incluidos teléfonos móviles y otros componentes de radio.

"La vida de nuestro grupo de investigación se sitúa en gran medida a la vanguardia de la tecnología", dice Erb, profesor asociado de ingeniería mecánica e industrial que dirige el laboratorio DAPS en Northeastern. "Las cosas se rompen mucho, y de vez en cuando una de esas rupturas resulta ser buena suerte".

En julio pasado, Erb estuvo en su laboratorio del noreste con Bice, quien desde entonces obtuvo un doctorado en ingeniería mecánica. Estaban probando un compuesto cerámico experimental como parte de un proyecto hipersónico para un socio industrial cuando algo pareció salir mal.

"Lo explotamos con un soplete y, mientras lo cargábamos, se deformó inesperadamente y se cayó del accesorio", dice Erb. "Miramos la muestra en el piso pensando que era un fracaso".

Un examen más detenido dio paso a una revelación.

"Nos dimos cuenta de que estaba perfectamente intacto", dice Erb. "Simplemente tenía una forma diferente".

La cerámica tiende a fracturarse (o incluso explotar) debido al choque térmico cuando se somete a cambios de calor extremos y cargas mecánicas. Pero su muestra se había deformado con gracia.

"Lo intentamos unas cuantas veces más y nos dimos cuenta de que podíamos controlar la deformación", dice Erb. "Y luego comenzamos a moldear por compresión el material y descubrimos que era un proceso muy rápido".

Su microestructura subyacente permite que la cerámica sin metal transmita rápidamente el calor y fluya de manera efectiva durante el proceso de moldeo. La cerámica se puede formar en geometrías exquisitas y exhibe una fuerza mecánica y una conductividad térmica impresionantes a temperatura ambiente, dice Erb, cuyos hallazgos se publicaron recientemente en Advanced Materials.

Erb y Bice están desarrollando el producto a través de su startup, Fourier LLC, llamada así por el matemático francés Joseph Fourier, quien estudió el flujo de calor en la cerámica hace dos siglos. Fourier recibió un premio Spark Fund de $50,000 del Centro para la Innovación en la Investigación de Northeastern.

"Es único: la cerámica termoformable, por lo que hemos visto y leído, en realidad no existe", dice Bice. "Así que es una nueva frontera en materiales".

El nuevo producto tiene el potencial de introducir dos mejoras en la industria, comenzando con su eficiencia como conductor de calor que puede enfriar la electrónica de alta densidad.

En general, los teléfonos celulares y otros dispositivos electrónicos están equipados con una capa voluminosa de aluminio, que es necesaria para alejar el calor de la unidad.

“Nuestro material puede tener menos de un milímetro de espesor, lo que presenta una solución de bajo perfil”, dice Bice. "Se puede moldear para adaptarse a la superficie que intentas enfriar".

La cerámica a base de cristal fonónico permite que el calor fluya sin transporte de electrones, dice Erb. No interfiere con las frecuencias de radio (RF) de los teléfonos celulares y otros sistemas.

"Si coloca un disipador de calor de aluminio en un componente de RF, básicamente ha introducido una serie de antenas para interactuar con la señal de RF", dice Erb. "En cambio, podemos poner nuestro material a base de nitruro de boro dentro y alrededor de un componente de RF y es esencialmente invisible para la señal de RF".

La otra mejora, dice Erb, es que se puede adaptar directamente al componente eléctrico. Echo St. Germain, un estudiante de ingeniería mecánica de quinto año en Northeastern que se desempeña como investigador de cerámica e ingeniero de I+D en Fourier, demostró el comportamiento no newtoniano de la cerámica al someter una suspensión grumosa a vibraciones que son normales en el proceso de fabricación. ; instantáneamente licuó y organizó la estructura del material. Tales suspensiones se utilizan para producir la cerámica moldeable.

Erb y Bice creen que podrán adaptar los materiales totalmente cerámicos a todo tipo de componentes eléctricos. La cerámica será más delgada, liviana y eficiente que los metales actualmente en uso.

Bice ayudó a lanzar la startup desde Munich, donde su esposa comenzó un nuevo trabajo.

"Lanzar una empresa con sede en Boston mientras estoy en Alemania agrega algunas complicaciones interesantes a las cosas, pero también oportunidades", dice Bice, quien con Erb se dedica al descubrimiento de clientes tanto en Europa como en los EE. UU.

Más información: Jason E. Bice et al, Termoformable Boron Nitrure Based All‐Ceramics, Advanced Materials (2022). DOI: 10.1002/adma.202203939

Información del diario:Materiales avanzados

Proporcionado por la Universidad del Noreste