Des chercheurs développent des céramiques thermoformables, "une nouvelle frontière dans les matériaux"

Oct 06, 2023

7 octobre 2022

par Ian Thomsen, Université du Nord-Est

C'était un de ces heureux hasards de la science. Professeur du Nord-Est Randall Erb et Ph.D. L'étudiant Jason Bice travaillait sur un produit pour un client universitaire et s'est retrouvé avec une toute nouvelle classe de matériel.

Leur découverte d'un tout-céramique qui peut être moulé par compression en pièces complexes - une percée dans l'industrie - pourrait transformer la conception et la construction de l'électronique émettant de la chaleur, y compris les téléphones portables et autres composants radio.

"La vie de notre groupe de recherche se situe à la pointe de la technologie", déclare Erb, professeur agrégé de génie mécanique et industriel qui dirige le laboratoire DAPS à Northeastern. "Les choses se cassent souvent, et de temps en temps, l'une de ces pauses s'avère être une bonne fortune."

En juillet dernier, Erb était dans son laboratoire du Nord-Est avec le Bice, qui a depuis obtenu un doctorat en génie mécanique. Ils testaient un composé céramique expérimental dans le cadre d'un projet hypersonique pour un partenaire industriel lorsque quelque chose a semblé mal tourner.

"Nous l'avons soufflé avec un chalumeau et, pendant que nous le chargeions, il s'est déformé de manière inattendue et est tombé du luminaire", explique Erb. "Nous avons regardé l'échantillon sur le sol en pensant que c'était un échec."

Un examen plus approfondi a donné lieu à une révélation.

"Nous avons réalisé qu'il était parfaitement intact", dit Erb. "C'était juste façonné différemment."

La céramique a tendance à se fracturer (ou même à exploser) sous l'effet d'un choc thermique lorsqu'elle est soumise à des changements de chaleur extrêmes et à une charge mécanique. Mais leur échantillon s'était déformé avec grâce.

"Nous avons essayé plusieurs fois et avons réalisé que nous pouvions contrôler la déformation", explique Erb. "Et puis nous avons commencé le moulage par compression du matériau et avons constaté que c'était un processus très rapide."

Sa microstructure sous-jacente permet au tout céramique de transmettre rapidement la chaleur et de s'écouler efficacement pendant le processus de moulage. La céramique peut être formée dans des géométries exquises et présente une résistance mécanique et une conductivité thermique impressionnantes à température ambiante, explique Erb, dont les découvertes ont été récemment publiées dans Advanced Materials.

Erb et Bice développent le produit via leur startup, Fourier LLC, du nom du mathématicien français Joseph Fourier, qui a étudié le flux de chaleur dans la céramique il y a deux siècles. Fourier a reçu un prix Spark Fund de 50 000 $ du Centre for Research Innovation de Northeastern.

"C'est unique : la céramique thermoformable, d'après ce que nous avons vu et lu, n'existe pas vraiment", explique le Bice. "C'est donc une nouvelle frontière dans les matériaux."

Le nouveau produit a le potentiel d'introduire deux améliorations dans l'industrie, à commencer par son efficacité en tant que conducteur de chaleur capable de refroidir les composants électroniques à haute densité.

En général, les téléphones portables et autres appareils électroniques sont équipés d'une épaisse couche d'aluminium, nécessaire pour évacuer la chaleur de l'appareil.

"Notre matériau peut avoir une épaisseur inférieure à un millimètre, ce qui présente une solution discrète", explique le Bice. "Il peut être moulé pour s'adapter à la surface que vous essayez de refroidir."

La céramique à base de cristaux phononiques permet à la chaleur de circuler sans transport d'électrons, explique Erb. Il n'interfère pas avec les fréquences radio (RF) des téléphones portables et autres systèmes.

"Si vous placez un dissipateur thermique en aluminium dans un composant RF, vous avez essentiellement introduit une série d'antennes pour interagir avec le signal RF", explique Erb. "Au lieu de cela, nous pouvons mettre notre matériau à base de nitrure de bore dans et autour d'un composant RF et il est essentiellement invisible au signal RF."

L'autre amélioration, dit Erb, est qu'elle peut être ajustée directement au composant électrique. Echo St. Germain, un étudiant en génie mécanique de cinquième année à Northeastern qui est chercheur en céramique et ingénieur R&D à Fourier, a démontré le comportement non newtonien de la céramique en soumettant une bouillie agglomérée à des vibrations normales au processus de fabrication ; il liquéfie instantanément et organise la structure de la matière. De telles bouillies sont utilisées pour produire les céramiques moulables.

Erb et Bice pensent qu'ils seront en mesure d'adapter les matériaux tout céramique à toutes sortes de composants électriques. La céramique sera plus fine, plus légère et plus efficace que les métaux actuellement utilisés.

Le Bice a participé au lancement de la startup depuis Munich, où sa femme a commencé un nouvel emploi.

"Lancer une entreprise basée à Boston alors que je suis en Allemagne ajoute des complications intéressantes aux choses, mais aussi des opportunités", déclare Bice, qui avec Erb s'engage dans la découverte de clients en Europe et aux États-Unis.

Plus d'information: Jason E. Bice et al, Céramiques thermoformables à base de nitrure de bore, Advanced Materials (2022). DOI : 10.1002/adma.202203939

Informations sur la revue :Matériaux avancés

Fourni par l'Université du Nord-Est