A Silver Lining For Extreme Electronics

Trang Chủ > Ấn Bản > Một lớp lót bạc cho các thiết bị điện tử cực đoan

Các nhà nghiên cứu của MSU đã phát triển một quy trình để tạo ra mạch điện đàn hồi hơn, mà họ đã chứng minh bằng cách tạo ra một chiếc mũ bảo hiểm Spartan màu bạc. Mạch được thiết kế bởi Jane Manfredi, một trợ lý giáo sư tại Đại học Thú y. Tín dụng: Acta Materialia Inc./Elsevier

Tóm tắt:
Tomorrow’s cutting-edge technology will need electronics that can tolerate extreme conditions. That’s why a group of researchers led by Michigan State University’s Jason Nicholas is building stronger circuits today.

Một lớp lót bạc cho các thiết bị điện tử cực đoan

Đông Lansing, MI | Đăng vào ngày 30 tháng 2021 năm XNUMX

Nicholas và nhóm của ông đã phát triển mạch bạc chịu nhiệt tốt hơn với sự hỗ trợ từ niken. Nhóm nghiên cứu đã mô tả công trình này, được tài trợ bởi Chương trình Tế bào Nhiên liệu Ôxit Rắn của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, vào ngày 15 tháng XNUMX trên tạp chí Scripta Materialia.

The types of devices that the MSU team is working to benefit — next-generation fuel cells, high-temperature semiconductors and solid oxide electrolysis cells — could have applications in the auto, energy and aerospace industries.

Although you can’t buy these devices off the shelf now, researchers are currently building them in labs to test in the real world, and even on other planets.

Ví dụ, NASA đã phát triển một tế bào điện phân oxit rắn cho phép tàu Mars 2020 Perseverance Rover tạo ra oxy từ khí trong khí quyển sao Hỏa vào ngày 22 tháng XNUMX. NASA hy vọng một ngày nào đó nguyên mẫu này sẽ dẫn đến thiết bị cho phép các phi hành gia tạo ra nhiên liệu tên lửa và không khí thở khi ở trên sao Hỏa.

To help such prototypes become commercial products, though, they’ll need to maintain their performance at high temperatures over long periods of time, said Nicholas, an associate professor in the College of Engineering.

Ông bị cuốn hút vào lĩnh vực này sau nhiều năm sử dụng pin nhiên liệu oxit rắn, hoạt động ngược lại giống như pin điện phân oxit rắn. Thay vì sử dụng năng lượng để tạo ra khí hoặc nhiên liệu, chúng tạo ra năng lượng từ các chất hóa học đó.

“Solid oxide fuel cells work with gases at high temperature. We’re able to electrochemically react those gases to get electricity out and that process is a lot more efficient than exploding fuel like an internal combustion engine does,” said Nicholas, who leads a lab in the Chemical Engineering and Materials Science Department.

Nhưng ngay cả khi không có vụ nổ, pin nhiên liệu cần phải chịu được các điều kiện làm việc cường độ cao.

“These devices commonly operate around 700 to 800 degrees Celsius, and they have to do it for a long time — 40,000 hours over their lifetime,” Nicholas said. For comparison, that’s approximately 1,300 to 1,400 degrees Fahrenheit, or about double the temperature of a commercial pizza oven.

“And over that lifetime, you’re thermally cycling it,” Nicholas said. “You’re cooling it down and heating it back up. It’s a very extreme environment. You can have circuit leads pop off.”

Do đó, một trong những trở ngại mà công nghệ tiên tiến này phải đối mặt là khá thô sơ: Mạch dẫn điện, thường được làm từ bạc, cần bám dính tốt hơn với các thành phần gốm bên dưới.

Các nhà nghiên cứu tìm ra bí quyết để cải thiện độ kết dính là thêm một lớp niken xốp trung gian giữa bạc và gốm.

Bằng cách thực hiện các thí nghiệm và mô phỏng máy tính về cách các vật liệu tương tác, nhóm đã tối ưu hóa cách nó lắng đọng niken trên gốm. Và để tạo ra các lớp niken mỏng, xốp trên gốm theo hoa văn hoặc thiết kế mà họ lựa chọn, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang in lụa.

“It’s the same screen printing that’s used to make T-shirts,” Nicholas said. “We’re just screen-printing electronics instead of shirts. It’s a very manufacturing-friendly technique.”

Once the nickel is in place, the team puts it in contact with silver that’s melted at a temperature of about 1,000 degrees Celsius. The nickel not only withstands that heat — its melting point is 1,455 degrees Celsius — but it also distributes the liquified silver uniformly over its fine features using what’s called capillary action.

“It’s almost like a tree,” Nicholas said. “A tree gets water up to its branches via capillary action. The nickel is wicking up the molten silver via the same mechanism.”

Khi bạc nguội và đông đặc, niken sẽ giữ nó bám chặt vào gốm, ngay cả trong nhiệt độ 700 đến 800 độ C, nó sẽ tiếp xúc với bên trong pin nhiên liệu oxit rắn hoặc pin điện phân oxit rắn. Và cách tiếp cận này cũng có tiềm năng giúp các công nghệ khác, nơi thiết bị điện tử có thể chạy nóng.

“There are a wide variety of electronic applications that require circuit boards that can withstand high temperatures or high power,” said Jon Debling, a technology manager with MSU Technologies, Michigan State’s tech transfer and commercialization office. “These include existing applications in automotive, aerospace, industrial and military markets, but also newer ones such as solar cells and solid oxide fuel cells.”

As a technology manager, Debling works to commercialize Spartan innovations and he’s working to help patent this process for creating tougher electronics.

“This technology is a significant improvement — in cost and temperature stability — over existing paste and vapor deposition technologies,” he said.

Về phần mình, Nicholas vẫn quan tâm nhất đến những ứng dụng tiên tiến trên đường chân trời, những thứ như pin nhiên liệu oxit rắn và pin điện phân oxit rắn.

“We’re working to improve their reliability here on Earth — and on Mars,” Nicholas said.

# # #

Cùng đóng góp cho dự án còn có Trợ lý Giáo sư Hui-Chia Yu của các nhà nghiên cứu kỹ thuật Spartan, Giáo sư Timothy Hogan và Giáo sư Thomas Bieler. Các nghiên cứu sinh sau đại học về dự án bao gồm Genzhi Hu, Quan Zhou, Aiswarya Bhatlawande, Jiyun Park, Robert Termuhlen và Yuxi Ma (Zhou, Bhatlawande và Ma đã tốt nghiệp).

One of the project’s coleaders at Brown University, Professor Yue Qi, also has ties to MSU. She served as faculty and the inaugural associate dean of inclusion and diversity in the College of Engineering through 2020.

####

Để biết thêm thông tin, xin vui lòng bấm vào tại đây

Liên hệ:
Caroline Brooks

@MSUnews

Nếu bạn có một bình luận, xin vui lòng Liên hệ chúng tôi.

Các tổ chức phát hành tin tức, không phải 7th Wave, Inc. hay Nanotech Now, chỉ chịu trách nhiệm về tính chính xác của nội dung.

Bookmark: