Το νεοσύστατο υλικό θερμικής αγωγιμότητας έχει υπόσχεση για χρήση σε μελλοντικούς επιταχυντές και βιομηχανία

Η αναζήτηση για κλιμακωτή αντικατάσταση του χαλκού ως θερμικού αγώγιμου υλικού σε εφαρμογές υψηλής θερμικής διαχείρισης ήταν μια συνεχής διαδικασία για πάνω από μια δεκαετία. Ο χαλκός εξακολουθεί να είναι χρήσιμος ως θερμικός αγωγός – το’είναι φθηνό, αποτελεσματικό, μπορεί να παραχθεί σε μεγάλες ποσότητες και μπορεί να διαμορφωθεί για χρήση σε μεγάλα εξαρτήματα. Αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις, όπως το CERN’S Large Hadron Collider (LHC) Και άλλα συγκεκριμένα βιομηχανικά περιβάλλοντα, υπάρχει ανάγκη για ένα υλικό που διαθέτει χαμηλή πυκνότητα και μπορεί να διαχειριστεί όχι μόνο την ακραία θερμότητα, αλλά και την ακραία δομική πίεση.

Γι 'αυτό το CERN έχει, μέσω διαφόρων ΕΕ-Τα χρηματοδοτούμενα έργα και με τη βοήθεια των βιομηχανικών εταίρων Brevetti Bizz και Nanoker, εργάζονταν για την εξεύρεση κατάλληλης αντικατάστασης. Το έργο έχει επικεντρωθεί στο καρβίδιο-υλικά άνθρακα (CCMS), η οποία συνδυάζει την ανθεκτικότητα των καρβίδων με την ευελιξία του άνθρακα, καθιστώντας τους ιδανικούς ως θερμικούς αγωγούς σε δύσκολες συνθήκες. 

Μία λύση, μολυβδαίνιο-γραφίτης (Καραμέλα), έχει ήδη πετύχει σε κάποιο βαθμό. Αρχικά σχεδιάστηκε για εφαρμογή στο CERN’S αναβαθμισμένο High Luminosity LHC, το οποίο έχει προγραμματιστεί να ξεκινήσει τις λειτουργίες του το 2030, στο πλαίσιο των Collimators – Συσκευές που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο και τη διαμόρφωση της δέσμης των σωματιδίων. 

Αυτές οι συσκευές πρέπει να λειτουργούν πολύ κοντά στη δέσμη σωματιδίων και επομένως πρέπει να διαλύουν σημαντικές πυκνότητες ισχύος. Ένα κατάλληλο και ελαφρύ θερμικό αγώγιμο υλικό  δεν υπήρχε στην εμπορική αγορά. 

Ο στόχος είχε οριστεί για να βρει ένα υλικό που είχε: υψηλή θερμική αγωγιμότητα (δύο φορές υψηλότερο από το καλύτερο “πρότυπο” αγωγός, δηλαδή χαλκός), καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, χαμηλή πυκνότητα, χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής και καλές μηχανικές ιδιότητες. 

Μετά από σημαντική έρευνα και ανάπτυξη του MOGR, οι ομάδες στο CERN κατόρθωσαν να πρωτοπορίσουν και στη συνέχεια να βιομηχανοποιήσουν το υλικό, επιτρέποντας το 2020 την κατασκευή 15 διακεκριμένων εξοπλισμένων με ~300 μπλοκ απορροφητήρα MOGR. Δώδεκα από αυτούς τους κατακράτες χρησιμοποιούνται ενεργά κατά τη διάρκεια της τρέχουσας εκτέλεσης 3 του LHC, το οποίο ξεκίνησε το 2022 και θα τελειώσει το 2026. 

Οι εξαιρετικές θερμοφυσικές ιδιότητες του MOGR καθιστούν πολύ ελκυστική για μια σειρά βιομηχανικών και τεχνολογικών εφαρμογών πολύ πέρα ​​από το υψηλό-Φυσική ενέργειας και υποψήφιοι. 

Τα πιθανά πεδία εφαρμογής για το υλικό περιλαμβάνουν υψηλό-Η ηλεκτρονική ισχύος, η αεροδιαστημική, η σύντηξη και τα πυρηνικά πεδία, όπου απαιτούνται μειωμένη θερμική διαστολή και χαμηλή πυκνότητα μαζί με υψηλή θερμική αγωγιμότητα και αντοχή σε θερμικό σοκ. 

Ωστόσο, η εκτεταμένη χρήση του MOGR στα κέντρα της βιομηχανίας και της έρευνας έχει μέχρι στιγμής παρεμποδιστεί από το υψηλό κόστος παραγωγής και το περιορισμένο μέγεθος των μπλοκ που μπορούν να παραχθούν. 

Κατά τη σύγκριση των καλών θερμικών αγωγών, ο χαλκός υψηλής καθαρότητας έχει κόστος ανά μονάδα όγκου γύρω €0,15 ανά cm³, ισότροπος γραφίτης, ο οποίος είναι ελαφρύτερος αλλά λιγότερο αγώγιμος, κοστίζει περίπου 10 φορές περισσότερο, και mogr, ελαφρύτερο ακόμα και πιο αγώγιμο, κοστίζει περίπου 100 φορές περισσότερο από το χαλκό. 

Τι’S περισσότερο, το μέγιστο μέγεθος ενός τμήματος CCM που ήταν δυνατό να παραχθεί έχει περιοριστεί σε 400 cm³. Τέλος, η διαδικασία παραγωγής ενός τέτοιου CCM είναι η κατανάλωση ενέργειας, απαιτώντας υψηλή ισχύ μηχανής για να φτάσει στην απαιτούμενη θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης, η οποία είναι πάνω από 2600 °Γ. Για τους λόγους αυτούς, επί του παρόντος η εφαρμογή του CCMS μπορεί να περιοριστεί μόνο σε πολύ υψηλά-Τελικές εφαρμογές, όπου το κόστος υλικού είναι δευτερεύον σε σχέση με την απόδοση.