Nieuw ontwikkeld thermisch geleidende materiaal houdt belofte voor gebruik in toekomstige versnellers en industrie
De zoektochtnaar een schaalbare vervanging voor koper als een thermisch geleidend materiaal in hoogtetoepassingen met een hoog thermisch beheer is al meer dan tien jaar een continu proces. Koper isnog steedsnuttig als thermische geleider – Het’S goedkoop, effectief, kan in grote hoeveelheden worden geproduceerd en kan worden gevormd voor gebruik op grote componenten. Maar in bepaalde gevallen, zoals CERN’S grote Hadron Collider (LHC) En andere specifieke industriële instellingen, er is behoefte aan een materiaal dat een lage dichtheid bezit enniet alleen extreme warmte kan beheren, maar ook extreme structurele druk.
Daarom heeft CERN, via verschillende EU-Gefinancierde projecten en met behulp van industriële partners Brevetti Bizz en Nanoker, gewerkt aan het vinden van een geschikte vervanging. Het werk is gericht op carbide-koolstofmaterialen (CCMS), die de taaiheid van carbiden combineren met de veelzijdigheid van koolstof, waardoor ze ideaal zijn als thermische geleiders in zware omstandigheden.
Eén oplossing, molybdeenum-grafiet (MoGR), is tot op zekere hoogte al succesvol geweest. Het werd aanvankelijk bedacht voor toepassing in CERN’S Upgraded High Luminosity LHC, die gepland staat om in 2030 activiteiten te beginnen, als onderdeel van de collimators – Apparaten die worden gebruikt om de bundel van deeltjes te regelen en te vormen.
Deze apparaten moeten zeer dicht bij de deeltjesstraal werken en moeten daarom significante vermogensdichtheden afwijken. Een geschikt en licht thermisch geleidend materiaal bestondniet op de commerciële markt.
Het doel was gesteld om een materiaal te vinden dat had: hoge thermische geleidbaarheid (twee keer hoger dan de beste “standaard” dirigent, d.w.z. koper), Goede elektrische geleidbaarheid, lage dichtheid, lage thermische expansiecoëfficiënt en goede mechanische eigenschappen.
Na aanzienlijk onderzoek en ontwikkeling van MOGR slaagden teams bij CERN erin om het materiaal te prototypen en vervolgens te industrialiseren, waardoor in 2020 de constructie van 15 collimators was uitgerust met ~300 mogr -absorberblokken. Twaalf van deze collimators worden actief gebruikt tijdens de huidige run 3 van de LHC, die in 2022 begon en in 2026 zal eindigen.
De uitstekende thermofysische eigenschappen van de MOGR maken het zeer aantrekkelijk voor een reeks industriële en technologische toepassingen tot ver buiten hoog-Energy Physics and Colliders.
Potentiële toepassingsgebieden voor het materiaal zijn hoog-Power Electronics, Aerospace, Fusion en Nuclear Fields, waar verminderde thermische expansie en lage dichtheidnodig zijn, samen met een hoge thermische geleidbaarheid en thermische schokweerstand.
Het uitgebreide gebruik van MOGR in de industrie en onderzoekscentra is totnu toe gehinderd door de hoge productiekosten en de beperkte omvang van de blokken die kunnen worden geproduceerd.
Bij het vergelijken van goede thermische geleiders heeft koper met een hoge zuiverheid een kosten per volume van de eenheid rond €0,15 per cm3, isotropisch grafiet, dat lichter maar minder geleidend is, kost ongeveer 10 keer meer, en MOGR, lichter en geleidend, kost ongeveer 100 keer meer dan koper.
Wat’S meer, de maximale grootte van een CCM -onderdeel dat het mogelijk is geweest om te produceren is beperkt tot 400 cm3. Ten slotte is het productieproces van een dergelijke CCM energieverbruik, waardoor een hoog machinevermogennodig is om de vereiste sintertemperatuur te bereiken, die boven 2600 is °C. Om deze redenen kan de toepassing van CCMS momenteel alleen worden beperkt tot zeer hoog-Eindtoepassingen, waarbij de materiaalkosten secundair zijn met betrekking tot prestaties.