De geavanceerde technologie van morgen heeft elektronica nodig die extreme omstandigheden kan verdragen. Daarom bouwt een groep onderzoekers onder leiding van Jason Nicholas van de Michigan State University vandaag sterkere circuits.

Nicholas en zijn team hebben meer hittebestendige zilveren circuits ontwikkeld met een hulp van nikkel. Het team beschreef het werk op 15 april in het tijdschrift Scripta Materialia .

De soorten apparaten waar het MSU-team aan werkt:brandstofcellen van de volgende generatie, hoge temperatuur halfgeleiders en vaste oxide elektrolysecellen—kunnen toepassingen hebben in de auto, energie- en ruimtevaartindustrie.

Hoewel je deze apparaten nu niet uit de winkel kunt kopen, onderzoekers bouwen ze momenteel in laboratoria om in de echte wereld te testen, en zelfs op andere planeten.

Bijvoorbeeld, NASA ontwikkelde een elektrolysecel met vaste oxide waarmee de Mars 2020 Perseverance Rover op 22 april zuurstof uit gas in de atmosfeer van Mars kon maken. NASA hoopt dat dit prototype op een dag zal leiden tot apparatuur waarmee astronauten raketbrandstof en ademende lucht kunnen maken terwijl ze op Mars zijn .

Om dergelijke prototypes te helpen commerciële producten te worden, Hoewel, ze moeten hun prestaties gedurende lange tijd bij hoge temperaturen behouden, zei Nicolaas, een universitair hoofddocent aan het College of Engineering.

Hij voelde zich aangetrokken tot dit vakgebied na jarenlang gebruik te hebben gemaakt van vaste oxide brandstofcellen, die in omgekeerde richting werken als vaste-oxide-elektrolysecellen. In plaats van energie te gebruiken om gassen of brandstof te creëren, ze creëren energie uit die chemicaliën.

"Vaste oxidebrandstofcellen werken met gassen bij hoge temperatuur. We zijn in staat om die gassen elektrochemisch te laten reageren om elektriciteit te krijgen en dat proces is veel efficiënter dan exploderende brandstof zoals een verbrandingsmotor doet, " zei Nicolaas, die een lab leidt bij de afdeling Chemical Engineering and Materials Science.

Maar zelfs zonder explosies, de brandstofcel moet bestand zijn tegen intensieve werkomstandigheden.

"Deze apparaten werken gewoonlijk rond de 700 tot 800 graden Celsius, en ze moeten het lang doen - 40, 000 uur gedurende hun leven, " zei Nicholas. Ter vergelijking, dat is ongeveer 1, 300 tegen 1, 400 graden Fahrenheit, of ongeveer het dubbele van de temperatuur van een commerciële pizzaoven.

"En gedurende dat leven, je fietst er thermisch mee, ' zei Nicholas. 'Je koelt het af en verwarmt het weer. Het is een zeer extreme omgeving. Je kunt circuitdraden eruit laten springen."

Dus, een van de hindernissen waarmee deze geavanceerde technologie wordt geconfronteerd, is nogal rudimentair:de geleidende circuits, vaak gemaakt van zilver, moet beter hechten aan de onderliggende keramische componenten.

Het geheim van het verbeteren van de hechting, vonden de onderzoekers, was om een ​​tussenlaag van poreus nikkel aan te brengen tussen het zilver en het keramiek.

Door experimenten en computersimulaties uit te voeren van hoe de materialen op elkaar inwerken, het team optimaliseerde hoe het nikkel op het keramiek deponeerde. En om de dunne te creëren, poreuze nikkellagen op het keramiek in een patroon of ontwerp naar keuze, de onderzoekers wendden zich tot zeefdruk.

"Het is dezelfde zeefdruk die wordt gebruikt om T-shirts te maken, ' zei Nicholas. 'We zijn gewoon elektronica aan het zeefdrukken in plaats van shirts. Het is een zeer productievriendelijke techniek."

Zodra het nikkel op zijn plaats zit, het team brengt het in contact met zilver dat gesmolten is bij een temperatuur van ongeveer 1, 000 graden Celsius. Het nikkel is niet alleen bestand tegen die hitte, het smeltpunt is 1, 455 graden Celsius, maar het verdeelt het vloeibaar gemaakte zilver ook gelijkmatig over zijn fijne delen met behulp van wat capillaire werking wordt genoemd.

"Het is bijna als een boom, Nicholas zei. "Een boom krijgt via capillaire werking water tot aan zijn takken. Het nikkel zuigt het gesmolten zilver via hetzelfde mechanisme op."

Zodra het zilver afkoelt en stolt, het nikkel houdt het op het keramiek vast, zelfs in de hitte van 700 tot 800 graden Celsius zou het worden geconfronteerd in een brandstofcel met vaste oxide of een elektrolysecel met vaste oxide. En deze aanpak heeft ook het potentieel om andere technologieën te helpen, waar elektronica heet kan worden.

"Er is een grote verscheidenheid aan elektronische toepassingen waarvoor printplaten nodig zijn die bestand zijn tegen hoge temperaturen of een hoog vermogen, " zei Jon Debling, een technologiemanager bij MSU Technologies, Het kantoor voor technologieoverdracht en commercialisering van de staat Michigan. "Het gaat onder meer om bestaande toepassingen in de automobielindustrie, ruimtevaart, industriële en militaire markten, maar ook nieuwere zoals zonnecellen en vaste oxide brandstofcellen."

Als technologiemanager Debling werkt aan het commercialiseren van Spartaanse innovaties en hij werkt eraan om dit proces te helpen patenteren voor het maken van sterkere elektronica.

"Deze technologie is een aanzienlijke verbetering - in kosten- en temperatuurstabiliteit - ten opzichte van bestaande pasta- en dampafzettingstechnologieën, " hij zei.

Voor zijn deel, Nicholas blijft het meest geïnteresseerd in die geavanceerde toepassingen aan de horizon, zaken als vaste-oxide-brandstofcellen en vaste-oxide-elektrolysecellen.

"We werken eraan om hun betrouwbaarheid hier op aarde te verbeteren - en op Mars, ' zei Nicolaas.