Редизайн имеет решающее значение, потому что с каждым днем мы увеличиваем нагрузку на электрическую сеть, требуем более быстрой обработки данных на компьютере и стремимся к электрическому транспорту. Усовершенствованные и миниатюрные полупроводники, питающие эти устройства и инфраструктуру, выделяют значительное количество тепла, которое может привести к их выходу из строя. Эти устройства также должны быть электрически изолированы и защищены от внешних воздействий.
Поскольку устройства и инфраструктура продолжают развиваться, во всем мире разрабатываются новые типы электрической изоляции для удовлетворения постоянно растущих требований к производительности и надежности.
Исследователи из Техасского университета в Остине в сотрудничестве с U.S. Армейская исследовательская лаборатория анализирует новые материалы для электроизоляции или упаковки, которые могут отводить тепло более эффективно по сравнению с сегодняшней изоляцией.
«Электрическая сеть обслуживает миллионы домов и предприятий и обрабатывает тысячи ампер тока», – сказал Вайбхав Бахадур, соавтор новой статьи, опубликованной в Proceedings of the IEEE, и доцент кафедры тепловых жидкостей в Школе Кокрелла.
Инженерный отдел машиностроения Уолкера. «Мы говорим о довольно значительном тепловыделении, высоком напряжении и способности выдерживать экстремальные температуры, которые будут только ухудшаться в изменяющемся климате."
«Ключевая проблема, которую мы определили, заключается в том, что одного лишь улучшения теплопроводности недостаточно», – сказал Бахадур. "Вам необходимо более целостное понимание материалов и многофункциональных материалов, чтобы соответствовать электрическим, термическим и механическим требованиям."
Сосредоточения внимания только на одном свойстве, таком как теплопроводность, недостаточно для обеспечения необходимой производительности и срока службы электронных устройств.
Вы должны убедиться, что материалы имеют большое электрическое сопротивление, устойчивость к экстремальным температурам, способность выдерживать механические нагрузки и устойчивость к влаге, среди прочего. Основная задача разработчиков материалов заключается в одновременном улучшении всех этих свойств вместо текущего подхода по отдельности.
«Всесторонняя оценка этих новых наноматериалов раньше не проводилась», – сказал Роберт Хебнер, профессор-исследователь из отдела Уокера, директор Центра электромеханики UT и соавтор статьи. «Эта статья представляет собой дорожную карту для разработки будущих материалов. Мы предоставляем критический обзор и перспективы для сообщества материалов с точки зрения проектирования и надежности."
Эти новые нанокомпозитные материалы изготовлены из полимеров с наночастицами в них и стремятся достичь уровней тепловых характеристик, сравнимых с металлами, сохраняя при этом преимущества полимеров – легкость, устойчивость к коррозии, простота изготовления. Некоторые из наиболее многообещающих материалов имеют почти в 100 раз большую теплопроводность, чем обычные полимеры.
Если мы сможем комплексно продвигать электрическую изоляцию, как предполагают исследователи, мы сможем увидеть улучшения во многих аспектах нашей жизни. Надежная электросеть на основе возобновляемых источников энергии.
Более быстрые процессоры для ноутбуков, которые не перегреваются. Охлаждение силовой установки с использованием воздуха вместо дефицитных водных ресурсов.
Даже переход на электрическую авиацию с кабелями, которые могут выдерживать сильную жару, выделяемую во время взлета.
Учитывая глобальный интерес к этим материалам для широкого спектра применений, будущий прогресс может и должен развиваться быстро.
Бахадур предполагает, что практическое внедрение таких передовых, многофункциональных материалов может произойти уже в 2030 году.