Notícias

Jun 21, 2023

Nova alta

Imagem da Penn State: Os materiais Half-Heusler podem fornecer um aumento na densidade de potência de resfriamento de dispositivos termoelétricos e fornecer uma solução de resfriamento para a próxima geração de eletrônicos de alta potência. Veja mais

Estado de Penn

imagem: Os materiais Half-Heusler podem fornecer um aumento na densidade de potência de resfriamento de dispositivos termoelétricos e fornecer uma solução de resfriamento para a próxima geração de eletrônicos de alta potência.Veja mais

Crédito: Cortesia de Wenjie Li

UNIVERSITY PARK, Pensilvânia – Os eletrônicos de próxima geração apresentarão componentes menores e mais potentes que exigirão novas soluções de resfriamento. Um novo refrigerador termoelétrico desenvolvido por cientistas da Penn State melhora muito a potência e a eficiência do resfriamento em comparação com as atuais unidades termoelétricas comerciais e pode ajudar a controlar o calor em futuros eletrônicos de alta potência, disseram os pesquisadores.

“Nosso novo material pode fornecer dispositivos termoelétricos com densidade de potência de resfriamento muito alta”, disse Bed Poudel, professor pesquisador do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Penn State. “Conseguimos demonstrar que este novo dispositivo pode não apenas ser competitivo em termos de medidas tecnoeconômicas, mas também superar os atuais módulos de resfriamento termoelétricos líderes. A nova geração de eletrônicos se beneficiará deste desenvolvimento.”

Os resfriadores termoelétricos transferem calor de um lado para o outro do dispositivo quando a eletricidade é aplicada, criando um módulo com lados frios e quentes. Colocar o lado frio em componentes eletrônicos que geram calor, como diodos laser ou microprocessadores, pode bombear o excesso de calor e ajudar a controlar a temperatura. Mas à medida que esses componentes se tornam mais potentes, os refrigeradores termoelétricos também precisarão bombear mais calor, disseram os cientistas.

O novo dispositivo termoelétrico mostrou um aumento de 210% na densidade de potência de resfriamento em comparação com o dispositivo comercial líder, feito de telureto de bismuto, enquanto mantinha potencialmente um coeficiente de desempenho (COP) semelhante, ou a relação entre resfriamento útil e energia necessária, relataram os cientistas. em Comunicações da Natureza.

“Isso resolve dois dos três grandes desafios na fabricação de dispositivos de resfriamento termoelétricos”, disse Shashank Priya, vice-presidente de pesquisa da Universidade de Minnesota e coautor do artigo. “Primeiro, ele pode fornecer alta densidade de potência de resfriamento com alto COP. Isso significa que uma pequena quantidade de eletricidade pode bombear muito calor. Em segundo lugar, para um laser de alta potência ou aplicações que exigem a remoção de muito calor localizado de uma área pequena, isso pode fornecer a solução ideal.”

O novo dispositivo é feito de um composto de ligas meio-Heusler, uma classe de materiais com propriedades especiais que se mostram promissoras para aplicações energéticas, como dispositivos termoelétricos. Esses materiais oferecem boa resistência, estabilidade térmica e eficiência.

Os pesquisadores usaram um processo especial de recozimento – que trata de como os materiais são aquecidos e resfriados – que lhes permitiu modificar e manipular a microestrutura do material para remover defeitos. Não havia sido usado anteriormente para fabricar materiais termoelétricos meio-Heusler, disseram os cientistas.

O processo de recozimento também aumentou dramaticamente o tamanho do grão do material, levando a menos limites de grão – áreas em um material onde as estruturas de cristalito se encontram e que reduzem a condutividade elétrica ou térmica.

“Em geral, o material meio-Heusler tem tamanho de grão muito pequeno – grão nanométrico”, disse Wenjie Li, professor assistente de pesquisa no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Penn State. “Através deste processo de recozimento, podemos controlar o crescimento dos grãos da nanoescala para a microescala – uma diferença de três ordens de grandeza.”

A redução dos limites dos grãos e outros defeitos melhorou substancialmente a mobilidade do portador do material, ou a forma como os elétrons podem se mover através dele, produzindo um fator de potência mais alto, disseram os cientistas. O fator de potência determina a densidade máxima de potência de resfriamento e é especialmente importante em aplicações de resfriamento de eletrônicos.

“Por exemplo, no resfriamento de diodo laser, uma quantidade significativa de calor é gerada em uma área muito pequena e deve ser mantida a uma temperatura específica para o desempenho ideal do dispositivo”, disse Li, “É aí que nossa tecnologia pode ser aplicado. Isto tem um futuro brilhante para a alta gestão térmica local.”