Nyutvecklade termiska ledningsmaterial har löfte om användning i framtida acceleratorer och industri

Sökningen efter en skalbar ersättning för koppar som ett termiskt ledande material i applikationer med hög termisk hantering har varit en pågående process i över ett decennium. Koppar är fortfarande användbar som en värmeledare – det’s billiga, effektiva, kan produceras i stora mängder och kan formas för användning på stora komponenter. Men i vissa fall, till exempel CERN’s stor hadron collider (Lhc) Och andra specifika industriella inställningar finns det ett behov av ett material som har låg densitet och kan hantera inte bara extrem värme, utan också extremt strukturellt tryck.

Det är därför CERN har genom olika EU-Finansierade projekt och med hjälp av industripartners Brevetti Bizz och Nanoker arbetat med att hitta en lämplig ersättning. Arbetet har centrerat på karbid-kolmaterial (Ccms), som kombinerar karbidernas seghet med mångsidigheten av kol, vilket gör dem idealiska som värmeledare under tuffa förhållanden. 

En lösning, molybden-grafit (Mogr), har redan lyckats i viss utsträckning. Det utformades ursprungligen för applikation i CERN’S uppgraderad högljusthet LHC, som är planerad att börja operationer 2030, som en del av kollimatorerna – Enheter som används för att kontrollera och forma partiklarnas stråle. 

Dessa enheter måste fungera mycketnära partikelstrålen och måste därför sprida betydande effektdensiteter. Ett lämpligt och lätt termiskt ledande material  fanns inte på den kommersiella marknaden. 

Målet sattes för att hitta ett material som hade: hög värmeledningsförmåga (två gånger högre än det bästa “standard” ledare, dvs koppar), god elektrisk konduktivitet, låg densitet, låg värmekoefficient och goda mekaniska egenskaper. 

Efter betydande forskning och utveckling av MOGR lyckades team på CERN prototyp och industrialisera sedan materialet, vilket tillåter byggandet av 15 kollimatorer utrustade med ~300 MOGR -absorberblock. Tolv av dessa kollimatorer används aktivt under dennuvarande körningen 3 i LHC, som startade 2022 och kommer att sluta 2026. 

De utmärkta termofysiska egenskaperna hos MOGR gör det mycket tilltalande för en rad industriella och tekniska tillämpningar långt bortom High-Energifysik och kolliders. 

Potentiella applikationsfält för materialet inkluderar High-Kraftelektronik, flyg-, fusions- och kärnkraftsfält, där minskad termisk expansion och låg densitet krävs tillsammans med hög värmeledningsförmåga och termisk chockmotstånd. 

Den omfattande användningen av mogr i bransch- och forskningscentra har emellertid hittills hindrats av dess höga produktionskostnader och den begränsade storleken på blocken som kan produceras. 

Vid jämförelse av goda värmeledare har koppar med hög renhet en kostnad per enhetsvolym på omkring €0,15 per cm³, Isotropisk grafit, som är lättare men mindre ledande, kostar cirka tio gånger mer, och mogr, lättare och mer ledande, kostar cirka 100 gånger mer än koppar. 

Vad’s mer, den maximala storleken på en CCM -del som det har varit möjligt att producera har varit begränsad till 400 cm³. Slutligen är produktionsprocessen för en sådan CCM energikrävande, vilket kräver hög maskinkraft för attnå den erforderliga sintringstemperaturen, vilket är över 2600 °C. Av dessa skäl kan förnärvarande tillämpningen av CCMS endast begränsas till mycket hög-Slutapplikationer, där materialkostnaden är sekundär med avseende på prestanda.