Nyudviklet termisk ledende materiale giver løfte om brug i fremtidige acceleratorer og industri

Søgningen efter en skalerbar erstatning for kobber som termisk ledende materiale i høje termiske styringsapplikationer har været en løbende proces i over et årti. Kobber er stadignyttigt som en termisk leder – det’s billige, effektive, kan produceres i store mængder og kan formes til brug på store komponenter. Men i visse tilfælde, såsom CERN’s store hadron collider (LHC) Og andre specifikke industrielle indstillinger er der behov for et materiale, der har lav densitet og kan håndtere ikke kun ekstrem varme, men også ekstremt strukturelt tryk.

Derfor har Cern gennem forskellige EU-Finansierede projekter og ved hjælp af industrielle partnere Brevetti Bizz og Nanoker har arbejdet med at finde en passende erstatning. Arbejdet har centreret sig om carbid-kulstofmaterialer (CCMS), der kombinerer sejheden af ​​carbider med alsidigheden af ​​kulstof, hvilket gør dem ideelle som termiske ledere under hårde forhold. 

En opløsning, molybdæn-grafit (Mogr), har allerede haft succes inogen grad. Det blev oprindeligt udtænkt til anvendelse i CERN’S opgraderet høj lysstyrke LHC, som er planlagt til at begynde operationer i 2030, som en del af kollimatorerne – Enheder, der bruges til at kontrollere og forme partiklernes bjælke. 

Disse enheder skal fungere meget tæt på partikelstrålen og skal derfor sprede betydelige effekttætheder. Et passende og let termisk ledende materiale  eksisterede ikke på det kommercielle marked. 

Målet var sat til at finde et materiale, der havde: høj termisk ledningsevne (to gange højere end de bedste “standard” leder, dvs. kobber), god elektrisk ledningsevne, lav densitet, lav koefficient for termisk ekspansion og gode mekaniske egenskaber. 

Efter betydelig forskning og udvikling af MOGR lykkedes det teams hos CERN at prototype og derefter industrialisere materialet, hvilket i 2020 i 2020 tillader opførelse af 15 kollimatorer udstyret med ~300 MOGR -absorberblokke. Tolv af disse kollimatorer bruges aktivt under detnuværende løb 3 af LHC, der startede i 2022 og slutter i 2026. 

De fremragende termofysiske egenskaber ved MOGR gør det meget tiltalende for en række industrielle og teknologiske anvendelser langt ud over høj-Energfysik og colliders. 

Potentielle anvendelsesområder for materialet inkluderer højt-Kraftelektronik, rumfart, fusion ognukleare felter, hvor der kræves reduceret termisk ekspansion og lav densitet sammen med høj termisk ledningsevne og termisk stødmodstand. 

Imidlertid er den omfattende anvendelse af MOGR i industri og forskningscentre hidtil blevet hindret af dens høje produktionsomkostninger og den begrænsede størrelse af de blokke, der kan produceres. 

Når man sammenligner gode termiske ledere, har kobber med høj renhed en omkostning pr. Enhedsvolumen på omkring €0,15 pr. Cm³, isotropisk grafit, som er lettere, men mindre ledende, koster cirka 10 gange mere, og Mogr, lettere og mere ledende koster omkring 100 gange mere end kobber. 

Hvad’S mere, den maksimale størrelse på en CCM -del, som det har været muligt at producere, har været begrænset til 400 cm³. Endelig er produktionsprocessen for en sådan CCM energiforbrugende, hvilket kræver høj maskinkraft for atnå den krævede sintringstemperatur, som er over 2600 °C. Af disse grunde kan anvendelsen af ​​CCM'er kun være begrænset til meget høj-Slutapplikationer, hvor de materielle omkostninger er sekundære med hensyn til ydeevne.