בעוד מכשירים אלקטרוניים מתכווץ בגודל בעוד שנקודות הכוח שלהם גוברות, חום ניהול הפך לאחד האתגרים ההנדסתיים הקריטיים ביותר של המאה העשרים ואחת. סיליקון צ'יפס, LEDs כוח גבוה, ורכיבי הדור הבא של כל חומרי הביקוש שיכולים במהירות לרסן אנרגיה תרמית ללא הקרבה של חומרים אלקטרוניקה גמישה, למרות שתפקודי פחמן דו-חמצני גבוהים או מכניות.

הבנה של Boron Nitride ננוtubes: מבנה וקומפוזיציה

Boron nitride nanotubes הם מבנים צילינדי המורכב משינוי בורון ואטומי חנקן מסודרים בלחיצות hexagonal, אנלוגי לתבנית דבש של צינורות פחמן (CNTs) זה סידור אטומי, לפעמים נקרא "גרפן לבן" בגלל צבעו ודמיון מבני שלה לגרף, נותן BNNTs קבוצה ייחודית של מאפיינים ייחודיים כי שונה לחלוטין מ חנקן אלקטרונים עמוק בין חנקן חזק.

BNNTs היו מסונתז לראשונה בשנת 1995 באמצעות שיטת שחרור פלסמה, ומאז פותחו מספר מסלולים חלופיים.

  • (ב) ⁇ (ה-0Chemical vapor deposition) (CVDigue): 1 Boron ו- חנקן מוצגים לתוך פרוזה בטמפרטורות גבוהות (בדרך כלל 1000-1400 מעלות צלזיוס) בנוכחות זרזים, ייצור ננו-tubes על תת-קרקעית.
  • (FLT:0)Ball מילימטר בשילוב עם אנמנלינג: אנדרטה 1 (BirFLT:1) אבקת בורון מרוקנת במכניקה עם זרז ברזל, ולאחר מכן מחומם תחת גז חנקן כדי ליצור BNNTs. שיטה זו מציעה תשואה גבוהה יחסית אבל לעתים קרובות תוצאות צינורות עם קוטרים מגוונים ומספרי קיר.
  • (FLT:0)Plasma arc: FLT:1 ; קשת גבוהה בין אלקטרודות עשירות בורון באטמוספירה חנקן מייצרת טמפרטורות מספיקות כדי להתחסן ולקוות BNNTs. גישה זו מייצרת צינורות באיכות גבוהה אבל בקטנות נמוכה יותר.
  • (FLT:0)Laser ablation: FLT:1 A דופק לייזר אדים מטרה ברון בסביבה חנקנית, יצירת צינורות שנאספו על תת-קרקעית קרה.השיטה מספקת שליטה מדויקת על קוטר צינור אבל יקר לסקאלה.

כל נתיב סינתזה משפיע על אורך ננוtube, קוטר, צניעות, וצפיפות פגומה, אשר בתורו משפיע על התכונות התרמיות והמכניות. החוקרים ממשיכים לחדד את התהליכים האלה כדי לייצר BNNTs באיכות עקבית ובעלויות שהופכות את אימוץ תעשייתי לכדאי.

תכונות מפתח שהופכות את BNNTs אידיאלי עבור ניהול הירומלי

התנהגות יוצאת דופן

BNNTs מציג ערכים מוליכות תרמיים שיכולים לעלות על 2000 W / mK לאורך ציר הצינור - בדומה לערכים המרשימים של צינורות פחמן ומרחק מעל מתכות נפוצות כמו נחושת (400 W / mK) זה יכולת העברת חום יוצאת דופן נובעת בציר יעיל של התפשטות יעילה יותר של רטטים צמיגים מורכבים, או פוני, לאורך האג"ח חזק, חזק, חזק, חזק, חזק, חריפות - אלקטרון - בניגוד לאלקטרון רגיל, כי הם זקוקים לאלקטרומגנטיות אלקטרון ייחודי, כי הם לא מתאים יותר עבור צינורות חום.

בידוד חשמל

אולי הנכס בעל ערך אסטרטגי ביותר של BNNTs הוא ה-Sgap הנרחב שלהם, אשר הופך אותם ל insulators חשמליים מצוינים עם כוח שדה התמוטטות של בערך 8 MV / ס"מ זה עומד בניגוד כוכבים לננו-tube פחמן, אשר הם מתכתיים או חצי-מוליכים בהתאם לסביבותיהיות שלהם. באריזה אלקטרונית, באמצעות מוליכים תרמיים אך חשמלית בממלאת את הסיכון הקצר של מעגלים קצרים והופכים לטמפרטורות רחבות יותר.

חוזק מכני גבוה וגמישות

BNNTs יש כוח רבייה על סדר 30-50 GPa ומודולולוציות של יאנג מתקרב 1 TPa, יריב פחמן nanotubes בביצוע מכני.הגמישות שלהם מאפשרת להם להיות ארוג, נמשך, או מפוזר ללא fracturing, יתרון קריטי כאשר שילוב לתוך פולימר, קרמיקה, או מתכת מטר.בנוסף, BNNT עמידים הם כדי להיות oxation עד 900 מעלות צלזיוס, 000, 000, 000 מנועים, 000 גבוה יותר, 000 כדי לפתח פחמן, 000 אוויר גבוה יותר, 000.

תכונות ראויות אחרות כוללות יעילות נמוכה של התרחבות תרמית, עמידות כימית מצוינת לרוב החומצות והפתיקים, ודחיסות של כ -2.2 גרם / CM3, אשר נמוך יותר ממלאים קונבנציונליים רבים.כל התכונות הללו משלבות כדי להפוך את BNNTs לבלוק בנייה צדדי באופן יוצא דופן עבור חומרי ניהול תרמיים.

יישומים בתעשיות

אלקטרוניקה ו Semiconductor Cooling

מיקרומעבדים מודרניים, יחידות עיבוד גרפי, ומודולים כוח לייצר גלי חום שיכולים לעלות על 100 W / m2, ונקודות חמות בתוך השבבים עשויים להגיע כמה מאות W / ס"מ2. חומר ממשק תרמי (TIM) בהתבסס על גריז, שלב-שינוי תרכובות, או כריות סיליקון לעתים קרובות ליפול פונקציונליות או אמינות.

חלליות ונקודות אור

ירידה במשקל היא רבת משקל בתעופה, שבו כל קילוגרם נשמר ישירות לתוך חיסכון דלק או עומס יתר מוגברת. פתרונות ניהול תרמי מבוסס מתכת הם כבדים ו נוטה קורוזיה או עייפות. BNNT-reinforced פולימרים מורכבים יכול לספק את הביצועים התרמיים הדרושים עבור בקרה תרמית פעיל, קירור אווירי, ומבנים היפרוזיים ללא משקל נחקר יתר, הטמפרטורות גבוהות של מנועים תרמיים (NNT) לא הצליחו לעמוד על ידי מנועים תרמיים קשים של דלק חשמלי (N) בלחץ חום כבד) ו-מחץ חשמלי מתוחכמות) לא יכול לגרום ל-מחץ חום כבד של מנועים בלחץ אווירי תיבות של דלק חם (RN) ל-N) ל-מחץ חום כבד, 000) ל-מחץ כבד, 000) ל-מחץ חום כבד, 000 לחץ דם חם (Ricic) של מנועים בלחץ גבוה של דלק חם יותר, 000) ל-N) של מנועים בלחץ גבוה של מנועים בלחץ אוויריטיס בינוני (RN) של מנועים בלחץ חום כבד, 000) ל-מחץ חום כבד, 000 לחץ דם חם (N) של דלק חם יותר, 000) של מנועים בלחץ אווירי תיבות של מנועים בלחץ אוויריטיס בינוני (R

אחסון אנרגיה וסוללת ניהול

סוללות ליתיום-יון לייצר חום משמעותי במהלך טעינה מהירה ופירוק, ואירועים תרמיים עדיין דאגה בטיחותית בכלי רכב חשמליים ומערכות אחסון רשת. BNNTs ניתן לשלב לתוך מערכי סוללה, אלקטרוד נקשרים, ו כריות תרמיות כדי לשפר את ההתפלגות חום ולהפחית את נקודות דלק גבוהות יותר. כי BNNTs הם ins insulating חשמלית, הם לא לתרום מעגלים פנימיים קצרים; חום מאפשר צמיגים גמישים כדי לשפר את רמות לחץ דם נמוך יותר.

חומרים ממשקיים

הממשק בין מקור חום לבין כיור חום הוא לעתים קרובות האלמנט המנוגד ביותר בדרך תרמית. פערים אוויריים, גסות פני השטח, ומגע גרוע דה דירוג ביצועים. BNNTs ניתן לנסח לתוך מחסנים, פערים, וחומרים של שינוי שלב התואמים משטחים ולהפחית את ההתנגדות התרמית.

אתגרים בייצור ואינטגרציה

סקאלה סינתזה

למרות תוצאות מרשימים של המעבדה, אימוץ נרחב של BNNTs עומד מול מכשולים ייצור משמעותיים.שיטות הסינתזה הנוכחית לייצר בדרך כלל גרם לכל אצווה, בעוד יישומים תעשייתיים דורשים ק"ג או אפילו טון. טכניקות כישוף לייזר הראות אנרגיה וקשוח של חברות טק-סיטיס האחרונות, אך עדיין יש צורך ב- Brificing איכות גבוהה למדי.D, אך לעתים קרובות להסתמך על גזים יקרים ומכינה נמוכה יותר.

המונחים: Composite Processing

גם כאשר BNNTs זמינים, שילוב אותם לחומרים מורכבים מציג אתגר שני.כוחות חזק ו-Van der Waals בין ננו-tubes לגרום להם לסבך ו agglomerate, המוביל לפיזור גרוע בתבנית פולימרוטלית, מתכת, או קרמיקה כי הם בעצם מתפזרים אחידים, רווחי התנהגות תרמיים פועלים כמו מרכזי phoning מאשר התאמות חום, אבל תכונות דלקתיות.

ניתוח השוואתי: BNNTs vs. Carbon Nanotubes vs. Other Fillers

כדי להבין מדוע BNNTs צובר תשומת לב, זה להורות להשוות אותם עם nanofillers מבוסס ביותר. פחמן nanotubes (CNTs) הם תקן הזהב עבור מוליכות תרמית, עם ערכים מדווחים גבוה כמו 3500 W / mK. הם גם פחות יקר לייצר ונחקרו במשך שני עשורים יותר מאשר BNNTs תרמי, עם זאת CNTs הם חשמלית, אשר יכול להשתמש בתוכנות אלה בטווח הקצר שלהם.

מילוי תרמי נפוץ אחר כוללים חלקיקים בורון nitride משקל (hexagonal בורון nitride, h-BN), alumina, אלומיניום nitride, ויהלומים. בעוד חומרים אלה הם insulating חשמלית, ההתנהגויות התרמיות שלהם הם נמוך משמעותית מאלה של BNNTs, במיוחד בצורת מורכבת.

מחקר וכיוונים עתידיים

שדה BNNT נע במהירות.ב-2023, צוות באוניברסיטת רייס הראה שיטה חדשה סינתזזה באמצעות פלזמה גבוהה ⁇ המיוצר BNNTs בשני הזמנות של גודל מהר יותר מאשר שיטות קשת קונבנציונליות, להביא עלויות למטה באופן משמעותי. קבוצה אחרת באוניברסיטת טוקיו שפורסם עבודה על גבי אפים מבוססי BNNT אשר השיגו מוליכות תרמית תרמית תרמית תרמית של 15 W / mK ב 5%, רק כדי ליצור שבריר של מחקר קירור אישי של אוניברסיטת בודפשט.

מעבר לניהול תרמי מיידי, BNNTs נחקרים עבור יישומים במחשוב קוונטי (כמו מצע substrates), קרינת נויטרונים הגנה (בורון יש לכידת נויטרונים גבוהה צולב), ומכשירים ביו-רפואיים (כמו סוכני הדמיה רדיו-מכוסים) ההתכנסות של ייצור מדרגי, שיפור טכניקות פיזור, ותעשייה למשוך מן הרכב החשמלי ו-5G מציע כי BNNTs יעברו עשור חומר בתוך מציאות מסחרית.

אזורי מפתח לפיתוח עתידי כוללים:

  • (FLT:0)Upstream synthesis:FLT:1 כורים זורמים רציפה ושיטות ללא זרז התשואות BNNTs ללא פגם בעלות נמוכה.
  • (ב) טכנולוגיות של [[המאה ה-1]]: [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]
  • (FLT:0) מורכב ממול פונקציונלי: 1FreaLT:1 ; BNNT היברידיs עם גרפן או CNTs כדי ליצור חומרים שהם גם מוליכים למחצה תרמיים וחשמליים למחצה או מגן.
  • (FLT:0) בדיקות סקרנדורדיזציה: FLT:1Building Measures for תרמי מוליכות תרמית של סרטי BNNT ומורכבים כדי לאפשר השוואות ירידות על פני קבוצות מחקר.

אחד במיוחד מבטיח כיוון הוא השימוש של BNNTs בניהול תרמי עבור גליום nitride כוח אלקטרוניקה. GaN מכשירים לפעול בטמפרטורות גבוהות יותר ומתחים מאשר סיליקון, והם דורשים דיאלקטריות שיכולים לעמוד בתחומים חשמליים קיצוניים תוך ביצוע חום. BNNT- מלא פולימרים מונדסים כמו תחת מפוספסים ו encapsulants כי לענות מפרטים אלה, פוטנציאל לנע יעילות גבוהה יותר עבור תחנות חשמל ו 5G.

מסקנה

Boron nitride nanotubes לעמוד על הגבול של חומרים ניהול תרמי, המציע שילוב שאין דומה של מוליכות תרמית גבוהה, בידוד חשמלי, כוח מכני, יציבות תרמית הפוטנציאל שלהם לפתור את צווארי בקבוק חום אלקטרוניקה, אווירוקל, אחסון אנרגיה הוא עצום יותר ויותר, אתגרים בייצור קומפקטי ואינטגרציה מורכבת נשאר, אבל הקצב המהיר של סינתזה תרמי וביקוש גוברים תעשייתית יותר, כמו גם שיטות צמיחה גבוהה יותר.