Sølvforing til ekstrem elektronik

Morgendagens banebrydende teknologi har brug for elektronik, der kan tåle ekstreme forhold. Det er derfor, en gruppe forskere ledet af Michigan State Universitys Jason Nicholas bygger stærkere kredsløb i dag.

Nicholas og hans team har udviklet mere varmebestandige sølvkredsløb med en assist fra nikkel. Holdet beskrev arbejdet den 15. april i journalen Scripta Materialia .

De typer enheder, som MSU-teamet arbejder på at gavne - næste generations brændselsceller, højtemperaturhalvledere og elektrolyseceller med fast oxid - kunne have anvendelser i bilen, energi- og rumfartsindustrien.

Selvom du ikke kan købe disse enheder fra hylden nu, forskere er i gang med at bygge dem i laboratorier for at teste dem i den virkelige verden, og endda på andre planeter.

For eksempel, NASA udviklede en elektrolysecelle med fast oxid, der gjorde det muligt for Mars 2020 Perseverance Rover at lave ilt fra gas i Mars atmosfære den 22. april. NASA håber, at denne prototype en dag vil føre til udstyr, der gør det muligt for astronauter at skabe raketbrændstof og åndbar luft, mens de er på Mars .

For at hjælpe sådanne prototyper til at blive kommercielle produkter, selvom, de bliver nødt til at opretholde deres ydeevne ved høje temperaturer over lange perioder, sagde Nicholas, en lektor på Ingeniørhøjskolen.

Han blev tiltrukket af dette felt efter år med brug af fastoxidbrændselsceller, som fungerer som fastoxidelektrolyseceller omvendt. I stedet for at bruge energi til at skabe gasser eller brændstof, de skaber energi fra disse kemikalier.

"Brændselsceller med fast oxid arbejder med gasser ved høj temperatur. Vi er i stand til elektrokemisk at reagere på disse gasser for at få elektricitet ud, og den proces er meget mere effektiv end eksploderende brændstof, som en forbrændingsmotor gør, " sagde Nicholas, der leder et laboratorium i Kemiteknik og Materialevidenskab.

Men selv uden eksplosioner, brændselscellen skal kunne modstå intense arbejdsforhold.

"Disse enheder fungerer normalt omkring 700 til 800 grader Celsius, og de skal gøre det i lang tid - 40, 000 timer i løbet af deres levetid, " sagde Nicholas. Til sammenligning, det er cirka 1, 300 til 1, 400 grader Fahrenheit, eller cirka dobbelt så høj temperatur som en kommerciel pizzaovn.

"Og i løbet af det liv, du termisk cykler den, " sagde Nicholas. "Du køler det ned og varmer det op igen. Det er et meget ekstremt miljø. Du kan få kredsløbsledninger til at springe af."

Dermed, en af ​​forhindringerne for denne avancerede teknologi er ret rudimentær:Det ledende kredsløb, ofte lavet af sølv, skal klæbe bedre til de underliggende keramiske komponenter.

Hemmeligheden bag at forbedre vedhæftningen, fandt forskerne, var at lægge et mellemlag af porøst nikkel mellem sølvet og keramikken.

Ved at udføre eksperimenter og computersimuleringer af, hvordan materialerne interagerer, holdet optimerede, hvordan det afsatte nikkel på keramikken. Og for at skabe det tynde, porøse nikkellag på keramikken i et mønster eller design efter eget valg, forskerne vendte sig mod serigrafi.

"Det er det samme serigrafi, der bruges til at lave T-shirts, " sagde Nicholas. "Vi screen-printer bare elektronik i stedet for skjorter. Det er en meget produktionsvenlig teknik."

Når nikkelen er på plads, holdet sætter det i kontakt med sølv, der er smeltet ved en temperatur på omkring 1, 000 grader Celsius. Nikkel modstår ikke kun den varme - dets smeltepunkt er 1, 455 grader Celsius - men det fordeler også det flydende sølv ensartet over dets fine funktioner ved hjælp af det, der kaldes kapillærvirkning.

"Det er næsten som et træ, " sagde Nicholas. "Et træ får vand op til sine grene via kapillærvirkning. Nikkel transporterer det smeltede sølv op via den samme mekanisme."

Når sølvet afkøles og størkner, nikkel holder den låst fast på keramikken, selv i varmen på 700 til 800 grader Celsius ville den vende ind i en fastoxidbrændselscelle eller en fastoxidelektrolysecelle. Og denne tilgang har også potentialet til at hjælpe andre teknologier, hvor elektronikken kan blive varm.

"Der er en lang række elektroniske applikationer, der kræver printkort, der kan modstå høje temperaturer eller høj effekt, " sagde Jon Debling, en teknologichef hos MSU Technologies, Michigan State's kontor for teknologioverførsel og kommercialisering. "Disse inkluderer eksisterende applikationer i bilindustrien, rumfart, industrielle og militære markeder, men også nyere såsom solceller og fastoxidbrændselsceller."

Som teknologichef, Debling arbejder på at kommercialisere spartanske innovationer, og han arbejder på at hjælpe med at patentere denne proces for at skabe hårdere elektronik.

"Denne teknologi er en væsentlig forbedring - i omkostnings- og temperaturstabilitet - i forhold til eksisterende pasta- og dampaflejringsteknologier, " han sagde.

For hans vedkommende, Nicholas er stadig mest interesseret i de banebrydende applikationer i horisonten, ting som fast oxid brændselsceller og fast oxid elektrolyse celler.

"Vi arbejder på at forbedre deres pålidelighed her på Jorden - og på Mars, " sagde Nicholas.