On yıllar boyunca, mühendisler sadece estetik ilham için değil, bir sonraki nesil akıllı telefonda bir elektronik bileşeni çözmüş veya daha hafif, daha güçlü ve daha fazla ısıtıcı malzemeler için talep eden termal enerji çözümleri arasında, daha fazla ısıtılmış olan kimyasal maddelere sahip olmak için doğal olarak, bir sonraki nesil akıllı sistemlerde bulunan bir elektronik bileşen, daha sık sık sık sık sık sık sık kullanılan kimyasal maddelere sahip olmak için talep edilir.

Bu makale, biyo-inspired yapıların çoğunun elde ettiği temel ısı transfer mekanizmaları, şu anda araştırma altında bulunan belirli biyolojik modeller ve bu malzemeler için sentez ve üretim tekniklerinin, en çok fayda sağlayan gerçek dünya uygulamaları hakkında kapsamlı bir inceleme sunmaktadır. Ayrıca bu tasarımları üretim hatlarına ve en umut verici araştırma yollarını da tartışıyoruz.

Shielding Uygulamalarında Heat Dissipation

Koruyucularda ısı dağılımı, üç birincil ısı transfer modlarını içerir: iletkenlik, konveksiyon ve radyasyon. Yüksek sıcaklık ortamlarda - hipersonik bir aracın veya güç elektronik modülünün iç kısmı gibi - koruyucular, ısı geçişi ile ısınır ve daha az kütleli ve hacimsel zeminler ile karşılaştırılabilir ısınır.

Anahtar Heat-Transfer Mechanisms Bio-Inspired Structures tarafından gelişmiştir

  • [FONT:0]Radiative soğutma: [Döneticileri, belli arıların beyaz ölçekleri gibi, atmosferde yüksek eşdeğerliği sergile (C) , bu yüzeyleri verimli bir şekilde ısıtmasına izin verir.
  • [FONT:0)Konvektif ısı transferi:) Vücut dokuları böcek kanatları tarafından ilham verilen ve bitki yaprakları, hava veya serin su katmanını bozan mikron ölçekli kabalık oluşturur.
  • [FONT:0)Katetik yapılarla İLGİLİ:[Dönersiz, birbirine bağlı ağlar – hayvanlar veya cam süngerlerin iskeleti - katı malzemeleri tutarken ısıyı verimli bir şekilde genişletin.

Termal Yönetim için Biyolojik Modeller

Doğa aşırı termal ortamlarda gelişen organizmalarla geri alınır. Aşağıdaki biyolojik modeller özellikle koruyucu tasarımı için öğretici kanıtlanmıştır.

Thorny Devil Lizard ([Dönt:0)Moloch horridus[Düzen 1: 1)

Bu Avustralya çöl lizard, spiny, kaba ölçekler için ünlüdür.Lokomotifler, süperhidrofbik yüzeyi kullanarak metal substratlar üzerinde toplanmıştır, ancak birincil termal işlevi aynı malzemenin düzgün yüzeylerini yansıtmak için önemlidir. ”

Çöl Arıtle ([[DÜ:0)Stenocara graces[DÜT:1)

Namib Çölü'nün eski iskeleti, fotolithografi ve 3D baskı kullanarak fotolitik ve hidrofobik tamponları kullanarak bir modele sahiptir. Bu tasarım su hasatı için en iyi bilinmektedir, ancak aynı dome- şekilli propostlar da güneş ışığı ve yüzeysel radyasyonu verimli bir şekilde yayılabilir. Çift işlevli - onları havalizliği ve 3D baskı kullanarak - onları hava paneli için cazip güneş paneli için cazip güneş panelleri için cazip güneş panelleri için idealdir.

Böcek Kanatları (Dragonflies, Cicadas)

Bu nanoyapılar, yüzeyin yakınında ısı geçişi azaltan, sınırlı miktardaki boru hattının karıştırılması ve Melbourne Üniversitesi'nden gelen tıkanma noktalarının, refraktif indeksin retoriklerinin azaltılmasına neden oluyor.Bu yapıların antibakım koşullarının yanı sıra, bu yapıların sınır tabakasının ve geliştirilmesine teşvik edici bir şekilde yardımcı oluyor.

Deniz Sponges ([DÜ:0)Euplectella aspergillum[DÜT:1)

Cam süngerFL:0)Euplectella aspergillum[Dönetici)[Dörtüncü Dünyadaki) ve ürperticilerin (eskiden) daha hafif, hiyerarşik latticelerden yapılmış olan, Kaliforniya Üniversitesi'nde araştırmacılar, benlik alüminyum ve alüminyum katkılarından dolayı, bu lattiçetle ısıtılmış ısıtılmış ve ısıtılmış olan ısıtılmış olan ısıtılmış olan elektrik parçaları için daha hafif bir ısıtılmış.

Sahaer Bitkiler ve Cactus Spines

Sıcaklık dağılımı ile ilgili daha az doğrudan ilişkili olsa da, perdeli bitkilerin yönsel yüzey yapıları (bu, rim üzerinde bir kayma yüzeyi yaratır) ve cactus omurgaları (bu top nezle) herhangi bir pompa olmadan ısıtılabilir mikrofluidik soğutma kanalları için tasarımlara ilham veren yapılara sahiptir.Eğer 500 $ / cm2 ısıyı ortadan kaldırmak için.

Tasarım Prensipleri ve Malzeme Sistemleri

Biyolojiyi mühendislike aktarmak, fonksiyonel ilkeleri ortadan kaldırmak ve sonra bu ilkeleri ölçeklenebilecek malzemeleri seçmek veya tasarlamak gerekir.

Geliştirilmiş Konveksiyon ve Radyasyon için Yüzey Mikroyapıları

Mikron ve altmikron ölçeğinde elde edilen temel ilke, düşük absorfik soğutmaya sahipken, yüksek eiviteye sahipken, yüksek derecede yüksek çözünürlükte (100 μm) olmalıdır.

  • [FONT=0)Laser yüzey metinleri:[Dönetici veya nanosaniye lazerleri doğrudan metal veya seramik yüzeylere kadar kullanılmaktadır. Bu yöntem hızlı, maskesiz ve sık sık sık sık sık kimyasal değişikliklerle kabarıklığı birleştirir.
  • [FONT:0)Eksitif üretim:[DDD baskı (özellikle iki foton polimerizasyon veya seçici lazer rasyonalleri) cam süngerlerin strut düzeni veya sönük dizileri gibi karmaşık hiyerarşik şekillerin gerçekleştirilmesine izin verir.

Porous ve Hierarchical Materials

Kemik ve sünger iskeletlerinde bulunan hiyerarşik lattices hafif, güçlü ve termal olarak iletken koruyucu çekirdekler için mavi bir baskı sunuyor. İki temel malzeme sistemi aktif soruşturma altında:

  • [FONT:0) Metal köpükler sınıflanmış bir porosity: Soğuk tarafta daha büyük bir gözenekler ve soğuk tarafta ince gözenekleri yaratan köpükler “ısılıtılmış ısı akışı” etkisi üretebilir, yönsel ısı akışlarını teşvik eder.
  • [FONT:0)Ceramik kompozit köpükler: [DÜDÜT:1] Silikon lik (SiC) ve alüminyum oksit (Al2O3) köpükler yüksek sıcaklık koruyucuları için mükemmeldir ( > 1000 °C) çünkü kısa sürede köpükleri korurlar.

Faz Değiştirilmiş Malzemeler (PCMs) Biyolojik Akışkanlar Taşıma

Birçok biyolojik organizma, yüksek kanallarda ısıtabilecek sıvıları taşır (örneğin, kan damarlarını, xylem). PCM'nin biyo-inspired göz ardı edilen yapılarını kullanarak, yüksek miktarda ısıyı geçici bir olay sırasında absorbe edebilecek bir hibrit koruyucu oluşturur (örneğin, bir lazer grevi veya reentry ısıtma gibi) ve sonra yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş PCM'nin dağıtımını sağlar ve Maryland Üniversitesi tarafından yapılan son çalışma, Çevre Enerji Mühendisliği'nin merkezi tarafından sızdırılmayı önler.

“Binspired ısı kalkanları ile en büyük meydan okuma tasarım değildir – çevre sıcaklığında ve kendi kendine benzeyen; maliyetle, ölçeklenebilir süreçler kullanarak eşdeğer karmaşıklığa ulaşmamız gerekir.” – Dr. Liya Chen, Materials Science Division, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvar.

Kumaşlama ve İmalat Scalability

Endüstriyel bir ürüne laboratuvar büyüklüğündeki bir gösteriden taşınmak, günümüzde biyo-tanan yüzeyler ve iç yapılar üretebilecek üretim yöntemleri gerektirir (örneğin, uzay koruyucuları veya 20 cm için 1 m × 20 cm.

Roll-to-Roll Nanoimprinting

Esnek kalkan substratları için (polimer filmleri, ince metaller), bir üst kalıpla bir roller kullanarak sürekli olarak böcek-parçası veya 10 m /min hızlarına kadar uzanan nüks dokularını yeniden üretebilmek için kullanılır. Bu teknik zaten moth-eye antireflektif filmler yapmak için kullanılır ve ısı yönetimi uygulamaları için uyarılır.

Doğrudan Ink Writing (DIW) 3D Printing

DIW, bir tür ekstr bazlı katkı üretimi, gerçekten üç boyutlu, sünger lattice gibi iç mimarlıkları yazdırmak için kullanılabilir.Inks, baskı yapmadan önce yapılan son gelişmelerin yüksek yoğunluklarına ulaşır.Bu yöntem, baskıyı geciktirmek için gerçekten üç boyutlu, optimize edilmiş bir iç mimarlıklar üretebilir.For kalkan uygulamaları için, ana faktör, nozulların nozulasyonsuz yüksek yoğunluklara ulaşır.

Porous için elektrospinning

Elektrospinning, nanofiber matları, göz ardı edilebilir, yüksek riskli matlar ve filtre medyasında kullanılır; katı veya yarı-kırık ısı kalkanları ekleyerek nanoyapı ve karbon nanotüpler gibi şirketler tarafından takip edilir; PPV.

[0](Son zamanlarda elektrospinning for termal management inurFLT:1)Dersin Kimyası A)).

Gerçek Dünya Uygulamaları ve Vaka Çalışmaları

Biyo-tananmış ısı dağılımı kalkanları sadece laboratuvar kıvrımları değildir; ticari ve askeri sistemlerde görünmeye başlıyorlar.

Havacılık ve Uzay Araçları

NASA'nın Ames Research Center, seramik ısı kalkanı, toparlama arıtılmış ([Dönlütücü materyalin kalınlığının daha verimli bir şekilde azaltılması) anlamına gelir.Dönemli malzemenin% 15'i (% 0,9'a kadar) yüklenebilir.

Elektrikli Araç Battery Paketleri

Lityum-iyon akülerinde ısıtılmış bir güvenlik sorunudur. BMW ve MIT araştırmacıları, hızlı şarj sırasında bile 55 °C'nin altında bulunan bir batarya paketini kullanan bir batarya paketini (örneğin, lattice kanallarının doğrudan her hücre ve wicks ısıyı her hücrede serinledikçe) daha da yüksek oranda şarj sırasındaki bir cep sıcaklığı kullanan bir bataryayı kullanarak korumalı bir paket muhafaza etti.

Yönetmen-Energy Weapon Shields

Askeri lazerler saniyede megawattlar enerji sağlayabilir. Optik veya sensörler için koruyucular, minimum baskı veya yüksek çözünürlük olmadan ısıyı dağıtmalıdır. DARPA'nın “Persistent Optik Eşpi Soğutma” programı biyo-inspired mikro dizilerini araştırıyor (örneğin, minimum basınç düşüşü olmadan ısıtılması veya ısıtılması gereken).

Tüketici Elektronik

Akıllı telefonlar ve dizüstü bilgisayarlar genellikle damgalanmış alüminyum veya bakır fins. Bio-inspired tasarımları, işlemciden üretime kadar ısıyı kullanarak kalınlığı azaltabilir. Apple, gelecekteki bir “hierarchical termal arayüz materyali” için ısıtılır.

Meydanlar ve Sınırlar

Söze rağmen, birkaç engel biyo-inspired kalkanlar yaygın hale gelmeden kalır.

Durability Under Extreme conditions

Birçok biyo-neğle yapılar yüksek riskliliğe dayanıyor; örneğin, nanoyapılar inanılmaz derecede kırılgandır; polimerleri kullanarak kopyalar (örneğin PDMS gibi) 300 °C'nin üzerindeki yüksek hacimli metal veya seramik kopyalar daha sağlamdır, ancak onların üretimi daha pahalıdır.

Üretim Maliyeti ve Forput

3D hierarşik lattices baskı hala yavaş ve genellikle kaldırılacak olan destek yapıları gerektirir. Roll-to-roll nanoimprinting yüksek kodlu ama sınırlı desen derinliğine sahiptir (tip olarak < 5 μm). Derin, yüksek riskli-ratio özellikleri (öneticisel bir geliştirme için gerekli), çok adımlı bir süreçtir.

Mevcut sistemlerle entegrasyon

Shields nadiren standalone; diğer bileşenlere eklenmelidir, nemlere karşı mühürler ve genellikle yapısal rollere hizmet ederler. Biyo-inspired yüzeyler yapıştırıcı bağlarına veya stres konsantrasyonlarına dikkatli bir şekilde tasarlanmamalıdır. Hierarchical lattices ek puanlar için sağlam bir sınır tarafından çevrelenebilir, etkili serinlenen alanı benimsemelidir.

Future Research

Alan birkaç cephede hızla ilerliyor:

  • [FONT:0)Makine-öğrenme odaklı üstoloji optimizasyonu: Biyolojiyi kopyalamak yerine, araştırmacılar yüzey ve lattice geometrilerini kullanarak belirli termal metrikleri en üst düzeye çıkarmak için kullanırlar (örneğin, Nusselt sayı, termal iletim).
  • [FONT:0) Çok fonksiyonel hibritler:[Döneticisel soğutmayı tek bir kalkan yapısında bir çiftliğe sahip olan ve bir şişe seramik çekirdeği olan bir mikroplak yüz kaplaması da, aynı zamanda bir radiative soğutucu olarak hizmet eden bir kaplamaya sahiptir.
  • [FONT:0)Kendi kendine özgü malzemeler:[Dönetici:0)[Dönetici:0))))) Katı stresten küçük çatlakları tamir edebilir veya etki, bir şifa aracı içeren mikrokaplar (örneğin, bir cyanoacryl veya silikon bazlı bir mühürleyici) bir süzgeçmiş olabilir.
  • [FONT:0]Küresel metal/seramik yapılarla birleştirebilmenin ayrılmaz yolları: Seramik kesimlerinin dökümü (kesinlikle) gibi yöntemler, ağaç kökleri veya kemik trabeculae benzeyen uyumlu yapılar üretir.

[FONT:0)(Bir CENGT:2) Biyo-gömürücü termal malzemeler üzerinde yapılan incelemeler).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Taşınırda gelişmiş ısı dağılımı için biyo-tanan yapıların kullanımı, zaten yeniden kullanım araçları, batarya paketleri ve biyomimetik tasarım için uyarlanmış zengin bir çözüm sunuyor.Thorny devil lizard'ın ısı-rejecting ölçekleri cam süngerin hafif üretim, lattice, doğa, ekinasyon için adapte edilmiş bir zengin bir çözüm portföyü sunuyor.Bu ısı bariyerleri, lazer koruyucuları ve elektronikleri.