研究者らは「材料の新たなフロンティア」である熱成形セラミックスを開発

Oct 06, 2023

2022 年 10 月 7 日

イアン・トムセン著、ノースイースタン大学

それは科学における幸福な偶然の一つでした。 ノースイースタン大学のランドール・アーブ教授と博士。 学生のジェイソン・バイスは、大学のクライアント向けの製品に取り組んでいたところ、まったく新しい種類の素材を完成させました。

複雑な部品に圧縮成形できるオールセラミックの発見は業界の画期的な成果であり、携帯電話やその他の無線部品を含む発熱電子機器の設計と構造を変える可能性があります。

「私たちの研究グループはテクノロジーの最先端に位置しています」と、ノースイースタン大学の DAPS Lab を率いる機械工学および産業工学の准教授であるアーブ氏は言います。 「物事は頻繁に壊れますが、時折、そのうちの 1 つが幸運になることがあります。」

昨年の7月、エルブ氏は、その後機械工学の博士号を取得したバイス氏とともに北東部の研究室にいた。 彼らは、産業パートナー向けの極超音速プロジェクトの一環として実験用セラミック化合物をテストしていたところ、何か問題が発生したように見えました。

「トーチで爆破し、積み込んでいる間に予期せず変形して固定具から落ちてしまったのです」とアーブ氏は言う。 「失敗したのではないかと思いながら、床に置かれたサンプルを眺めました。」

綿密な調査により、ある事実が明らかになりました。

「私たちはそれが完全に無傷であることに気づきました」とアーブ氏は言います。 「形が違っただけです。」

セラミックは、極端な熱変化や機械的負荷を受けると、熱衝撃によって破損 (または爆発) する傾向があります。 しかし、彼らのサンプルは優雅に変形していました。

「さらに数回試してみたところ、変形を制御できることがわかりました」とアーブ氏は言います。 「そして、材料の圧縮成形を開始したところ、それが非常に速いプロセスであることがわかりました。」

その基礎となる微細構造により、オールセラミックは成形プロセス中に熱と流動を効果的に素早く伝達することができます。 アーブ氏によれば、このセラミックは絶妙な形状に形成でき、室温で優れた機械的強度と熱伝導率を示すという。その研究結果は最近『Advanced Materials』誌に発表された。

Erb と Bice は、自社のスタートアップ企業である Fourier LLC を通じてこの製品を開発しています。Fourier LLC の名前は、2 世紀前にセラミックスの熱流を研究したフランスの数学者ジョゼフ・フーリエにちなんで付けられました。 フーリエ氏は、ノースイースタン研究イノベーションセンターから 50,000 ドルのスパーク基金賞を受賞しました。

「それはユニークです。私たちが見たり読んだりした情報によると、熱成形可能なセラミックスは実際には存在しません」とバイス氏は言います。 「つまり、これは材料の新境地なのです。」

この新製品は、高密度電子機器を冷却できる熱伝導体としての効率をはじめとして、業界に 2 つの改善をもたらす可能性があります。

一般に、携帯電話やその他の電子機器には、ユニットから熱を奪うために必要な、かさばるアルミニウムの層が取り付けられています。

「当社の材料は厚さ 1 ミリメートル未満にすることができるため、薄型のソリューションになります」と Bice 氏は言います。 「冷却しようとしている表面に合わせて成形できます。」

フォノニック結晶ベースのセラミックにより、電子輸送なしで熱が流れることができる、とアーブ氏は言う。 携帯電話や他のシステムの無線周波数 (RF) に干渉しません。

「アルミニウムのヒートシンクを RF コンポーネントに組み込むと、基本的には RF 信号と相互作用する一連のアンテナが導入されたことになります」と Erb 氏は言います。 「その代わりに、当社の窒化ホウ素ベースの材料を RF コンポーネントの中や周囲に配置することができ、この材料は基本的に RF 信号には見えなくなります。」

Erb 氏によると、もう 1 つの改善点は、電気コンポーネントに直接ぴったりフィットできることです。 ノースイースタン大学の機械工学科 5 年生で、フーリエ大学でセラミック研究者および研究開発エンジニアとして勤務しているエコー・セント・ジャーメインは、セラミックの塊状のスラリーに製造プロセスに通常の振動を与えることで、セラミックの非ニュートン的挙動を実証しました。 ; それは即座に液化し、材料の構造を組織化しました。 このようなスラリーは、成形可能なセラミックを製造するために使用されます。

Erb と Bice は、オールセラミック素材をあらゆる種類の電気部品にぴったりとフィットさせることができると信じています。 セラミックは現在使用されている金属よりも薄く、軽く、より効率的になります。

Bice 氏は、妻が新しい仕事を始めたミュンヘンからこのスタートアップの立ち上げを支援しました。

「私がドイツにいる間にボストンに拠点を置く会社を立ち上げることは、物事にいくつかの興味深い複雑さを加えますが、同時にチャンスでもあります」と、Erb でヨーロッパと米国の両方で顧客発掘に取り組んでいる Bice 氏は言います。

詳しくは： Jason E. Bice 他、熱成形可能な窒化ホウ素ベースのオールセラミックス、先端材料 (2022)。 DOI: 10.1002/adma.202203939

雑誌情報:先端材料

ノースイースタン大学提供