Een zilveren voering voor extreme elektronica

Home > Media > Een zilveren voering voor extreme elektronica

MSU-onderzoekers ontwikkelden een proces om veerkrachtiger circuits te creëren, wat ze lieten zien door een zilveren Spartaanse helm te maken. Het circuit is ontworpen door Jane Manfredi, een assistent-professor aan het College of Veterinary Medicine. Krediet: Acta Materialia Inc./Elsevier

Abstract:
Voor de allernieuwste technologie van morgen is elektronica nodig die bestand is tegen extreme omstandigheden. Daarom bouwt een groep onderzoekers onder leiding van Jason Nicholas van de Michigan State University vandaag sterkere circuits.

Een zilveren voering voor extreme elektronica

East Lansing, MI | Geplaatst op 30 april 2021

Nicholas en zijn team hebben meer hittebestendige zilveren schakelingen ontwikkeld met behulp van nikkel. Het team beschreef het werk, dat werd gefinancierd door het Amerikaanse Department of Energy Solid Oxide Fuel Cell Program, op 15 april in het tijdschrift Scripta Materialia.

De soorten apparaten waarvan het MSU-team werkt - de volgende generatie brandstofcellen, halfgeleiders voor hoge temperaturen en vaste oxide-elektrolysecellen - zouden toepassingen kunnen hebben in de auto-, energie- en lucht- en ruimtevaartindustrie.

Hoewel je deze apparaten nu niet van de plank kunt kopen, bouwen onderzoekers ze momenteel in laboratoria om ze in de echte wereld en zelfs op andere planeten te testen.

NASA heeft bijvoorbeeld een elektrolysecel van vaste oxide ontwikkeld waarmee de Mars 2020 Perseverance Rover op 22 april zuurstof kon maken uit gas in de atmosfeer van Mars. NASA hoopt dat dit prototype ooit zal leiden tot apparatuur waarmee astronauten raketbrandstof en ademende lucht kunnen maken. terwijl je op Mars bent.

Om dergelijke prototypes te helpen commerciële producten te worden, moeten ze hun prestaties gedurende lange tijd bij hoge temperaturen behouden, zei Nicholas, een universitair hoofddocent aan het College of Engineering.

Hij werd tot dit veld aangetrokken na jarenlang gebruik van vaste-oxide brandstofcellen, die werken als vaste oxide elektrolysecellen in omgekeerde richting. In plaats van energie te gebruiken om gassen of brandstof te maken, creëren ze energie uit die chemicaliën.

“Vaste-oxide brandstofcellen werken met gassen van hoge temperatuur. We zijn in staat om die gassen elektrochemisch te laten reageren om elektriciteit eruit te krijgen en dat proces is veel efficiënter dan exploderende brandstof, zoals een verbrandingsmotor dat doet, ”zegt Nicholas, die een laboratorium leidt op de afdeling Chemical Engineering and Materials Science.

Maar zelfs zonder explosies moet de brandstofcel bestand zijn tegen intense werkomstandigheden.

"Deze apparaten werken gewoonlijk rond de 700 tot 800 graden Celsius, en ze moeten het gedurende een lange tijd doen - 40,000 uur tijdens hun leven", zei Nicholas. Ter vergelijking: dat is ongeveer 1,300 tot 1,400 graden Fahrenheit, of ongeveer het dubbele van de temperatuur van een commerciële pizzaoven.

'En gedurende dat leven fiets je het thermisch,' zei Nicholas. 'Je koelt het af en verwarmt het weer. Het is een heel extreme omgeving. Je kunt circuitkabels loslaten. "

Een van de hindernissen waarmee deze geavanceerde technologie wordt geconfronteerd, is dus nogal rudimentair: de geleidende schakelingen, vaak gemaakt van zilver, moeten beter hechten aan de onderliggende keramische componenten.

Het geheim van het verbeteren van de hechting, zo ontdekten de onderzoekers, was het aanbrengen van een tussenlaag van poreus nikkel tussen het zilver en het keramiek.

Door experimenten en computersimulaties uit te voeren van hoe de materialen op elkaar inwerken, optimaliseerde het team hoe het nikkel op het keramiek afzette. En om de dunne, poreuze nikkellagen op het keramiek te creëren in een patroon of ontwerp naar keuze, wendden de onderzoekers zich tot zeefdruk.

"Het is dezelfde zeefdruk die wordt gebruikt om T-shirts te maken," zei Nicholas. “We printen gewoon elektronica in plaats van overhemden. Het is een zeer productievriendelijke techniek. "

Zodra het nikkel op zijn plaats zit, brengt het team het in contact met zilver dat is gesmolten bij een temperatuur van ongeveer 1,000 graden Celsius. Het nikkel is niet alleen bestand tegen die hitte - het smeltpunt is 1,455 graden Celsius - maar het verdeelt het vloeibaar gemaakte zilver ook gelijkmatig over zijn fijne eigenschappen met behulp van de zogenaamde capillaire werking.

'Het is bijna als een boom', zei Nicholas. “Een boom krijgt via capillaire werking water tot aan de takken. Het nikkel zuigt het gesmolten zilver op via hetzelfde mechanisme. "

Zodra het zilver is afgekoeld en stolt, houdt het nikkel het op het keramiek vast, zelfs bij de hitte van 700 tot 800 graden Celsius waarmee het wordt geconfronteerd in een vaste oxidebrandstofcel of een vaste oxide-elektrolysecel. En deze aanpak heeft ook het potentieel om andere technologieën te helpen, waar elektronica heet kan worden.

"Er is een grote verscheidenheid aan elektronische toepassingen waarvoor printplaten nodig zijn die bestand zijn tegen hoge temperaturen of een hoog vermogen", zegt Jon Debling, een technologiemanager bij MSU Technologies, het technische overdrachts- en commercialiseringskantoor van Michigan State. "Dit zijn onder meer bestaande toepassingen in de automobiel-, lucht- en ruimtevaart, industriële en militaire markten, maar ook nieuwere zoals zonnecellen en vaste-oxide brandstofcellen."

Als technologiemanager werkt Debling aan het commercialiseren van Spartaanse innovaties en helpt hij bij het patenteren van dit proces voor het maken van hardere elektronica.

"Deze technologie is een aanzienlijke verbetering - in kosten- en temperatuurstabiliteit - ten opzichte van bestaande pasta- en opdamptechnologieën," zei hij.

Nicholas van zijn kant blijft het meest geïnteresseerd in die baanbrekende toepassingen aan de horizon, zaken als vaste-oxide brandstofcellen en vaste oxide elektrolysecellen.

"We werken aan het verbeteren van hun betrouwbaarheid hier op aarde - en op Mars," zei Nicholas.

###

Ook bijgedragen aan het project waren de Spartaanse technische onderzoekers, assistent-professor Hui-Chia Yu, professor Timothy Hogan en professor Thomas Bieler. Afgestudeerde studentonderzoekers van het project waren onder meer Genzhi Hu, Quan Zhou, Aiswarya Bhatlawande, Jiyun Park, Robert Termuhlen en Yuxi Ma (Zhou, Bhatlawande en Ma zijn inmiddels afgestudeerd).

Een van de medewerkers van het project aan de Brown University, professor Yue Qi, heeft ook banden met MSU. Ze diende als faculteit en de inaugurele associate decaan van inclusie en diversiteit in het College of Engineering tot 2020.

####

Voor meer informatie, klik hier

Kontakte:
Caroline Brooks

@MSUnieuws

Auteursrecht © Michigan State University

Als u een opmerking heeft, alstublieft Neem contact op met ons op.

Uitgevers van nieuwsberichten, niet 7th Wave, Inc. of Nanotechnology Now, zijn zelf verantwoordelijk voor de juistheid van de inhoud.

Bladwijzer: