Pesquisadores desenvolvem cerâmica termoformável, 'uma nova fronteira em materiais'

Oct 06, 2023

7 de outubro de 2022

por Ian Thomsen, Northeastern University

Foi um daqueles felizes acidentes da ciência. O professor nordestino Randall Erb e Ph.D. O estudante Jason Bice estava trabalhando em um produto para um cliente universitário - e acabou com uma classe de material totalmente nova.

A descoberta de uma cerâmica que pode ser moldada por compressão em peças complexas - um avanço da indústria - pode transformar o design e a construção de eletrônicos emissores de calor, incluindo telefones celulares e outros componentes de rádio.

"As vidas do nosso grupo de pesquisa estão muito situadas na vanguarda da tecnologia", diz Erb, professor associado de engenharia mecânica e industrial que dirige o Laboratório DAPS na Northeastern. "As coisas quebram muito e, de vez em quando, uma dessas quebras acaba sendo uma boa sorte."

Em julho passado, Erb estava em seu laboratório no Nordeste com Bice, que desde então obteve um doutorado em engenharia mecânica. Eles estavam testando um composto cerâmico experimental como parte de um projeto hipersônico para um parceiro industrial quando algo parecia dar errado.

"Nós o explodimos com um maçarico e, enquanto o carregávamos, ele se deformou inesperadamente e caiu do dispositivo", disse Erb. "Observamos a amostra no chão pensando que era um fracasso."

Um exame mais atento deu lugar a uma revelação.

"Percebemos que estava perfeitamente intacto", diz Erb. "Foi apenas moldado de forma diferente."

Cerâmicas tendem a fraturar (ou até explodir) por choque térmico quando submetidas a mudanças extremas de calor e cargas mecânicas. Mas sua amostra havia se deformado graciosamente.

"Tentamos mais algumas vezes e percebemos que poderíamos controlar a deformação", diz Erb. "E então começamos a moldar o material por compressão e descobrimos que era um processo muito rápido."

Sua microestrutura subjacente permite que a cerâmica pura transmita rapidamente o calor e flua de forma eficaz durante o processo de moldagem. A cerâmica pode ser formada em geometrias requintadas e exibe impressionante resistência mecânica e condutividade térmica à temperatura ambiente, diz Erb, cujas descobertas foram publicadas recentemente na Advanced Materials.

Erb e Bice estão desenvolvendo o produto por meio de sua startup, Fourier LLC - batizada em homenagem ao matemático francês Joseph Fourier, que estudou o fluxo de calor em cerâmica há dois séculos. Fourier recebeu um prêmio Spark Fund de $ 50.000 do Northeastern's Center for Research Innovation.

"É único: cerâmica termoformável, pelo que vimos e lemos, realmente não existe", diz Bice. "Portanto, é uma nova fronteira em materiais."

O novo produto tem o potencial de introduzir duas melhorias na indústria, começando com sua eficiência como condutor de calor que pode resfriar eletrônicos de alta densidade.

Em geral, celulares e outros eletrônicos são revestidos com uma volumosa camada de alumínio, necessária para retirar o calor do aparelho.

"Nosso material pode ter menos de um milímetro de espessura, o que representa uma solução de baixo perfil", diz Bice. "Ele pode ser moldado para se adequar à superfície que você está tentando resfriar."

A cerâmica à base de cristal fonônico permite que o calor flua sem transporte de elétrons, diz Erb. Não interfere nas radiofrequências (RF) de celulares e outros sistemas.

"Se você colocar um dissipador de calor de alumínio em um componente de RF, basicamente introduzirá uma série de antenas para interagir com o sinal de RF", diz Erb. "Em vez disso, podemos colocar nosso material à base de nitreto de boro dentro e ao redor de um componente de RF e ele fica essencialmente invisível ao sinal de RF."

A outra melhoria, diz Erb, é que ele pode ser ajustado diretamente ao componente elétrico. Echo St. Germain, um estudante de engenharia mecânica do quinto ano da Northeastern que atua como pesquisador de cerâmica e engenheiro de P&D na Fourier, demonstrou o comportamento não newtoniano da cerâmica submetendo uma pasta pastosa à vibração normal ao processo de fabricação. ; instantaneamente liquidificou e organizou a estrutura do material. Essas pastas são usadas para produzir a cerâmica moldável.