Eine neue Klasse von Keramiken kann wie Blech thermogeformt werden

Ingenieure der Northeastern University haben eine neue Art von Keramik entwickelt, die in dünne und komplexe Formen gebracht werden kann, was sie als „neue Grenze der Materialien“ bezeichnen und weitreichende neue Anwendungen in der Elektronik eröffnen. Die als thermoformbare Keramik bezeichneten neuartigen Materialien sind durch einen Laborunfall entstanden, könnten aber unter anderem als effizientere und langlebigere Wärmesenken dienen.

Die Autoren der Studie experimentierten letztes Jahr mit experimentellen borbasierten Keramikverbindungen für mögliche industrielle Anwendungen und hatten das Material scheinbar an seine Grenzen gebracht.

„Wir haben es mit einer Lötlampe abgestrahlt und während wir es geladen haben, hat es sich unerwartet verformt und ist aus der Halterung gefallen“, sagt Randall Erb, Professor für Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen an der Northeastern. „Wir schauten uns die Probe auf dem Boden an und dachten, es sei ein Fehlschlag. Wir stellten fest, dass es vollkommen intakt war. Es war einfach anders geformt. Wir versuchten es noch ein paar Mal und stellten fest, dass wir die Verformung kontrollieren konnten. Und dann begannen wir mit dem Formpressen des Materials und stellten fest, dass es ein sehr schneller Prozess war.“

Das Verhalten des Materials widersprach der herkömmlichen Meinung darüber, wie Keramik geformt wird und was sie aushalten kann. Wenn diese Materialien extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt werden, werden sie wahrscheinlich reißen oder zersplittern, aber das Team konnte buchstäblich einen Lötbrenner einsetzen und sie in einem Stück halten.

„Es ist einzigartig: Thermoformbare Keramik gibt es nach dem, was wir gesehen und gelesen haben, nicht wirklich“, sagte Studienautor Jason Bice. „Es handelt sich also um eine neue Grenze für Materialien.“

Eine weitere Untersuchung der Materialien ergab eine zugrunde liegende Mikrostruktur, die ihnen eine schnelle Wärmeübertragung ermöglicht. Beim Formen und Thermoformen, einem Verfahren, das typischerweise bei thermoplastischen Polymeren und Blechen zum Einsatz kommt, stellte das Team fest, dass sich die Keramik in komplexe Geometrien umformen lässt und dabei eine gute mechanische Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit beibehält.

Für Anwendungen in der Elektronik spricht auch die Tatsache, dass das Material weder Elektronen transportiert noch Radiofrequenzen (RF) stört. In Smartphones und anderen Geräten wird eine dicke Aluminiumschicht verwendet, um die Wärme abzuleiten. Aufgrund seiner Eigenschaften und der Fähigkeit, weniger als einen Millimeter dick zu sein und sich an verschiedene Oberflächen anzupassen, sieht das Team das Keramikmaterial als effektiveren Kühlkörper.

„Wenn man einen Aluminiumkühlkörper in eine HF-Komponente einbaut, hat man im Grunde eine Reihe von Antennen eingeführt, die mit dem HF-Signal interagieren“, sagt Erb. „Stattdessen können wir unser auf Bornitrid basierendes Material in und um eine HF-Komponente platzieren und es ist für das HF-Signal im Wesentlichen unsichtbar.“

Die Wissenschaftler haben ein Stipendium für die Weiterentwicklung der Technologie erhalten und streben nun die Kommerzialisierung durch ein Spin-off-Unternehmen namens Fourier an.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Quelle: Northeastern University