未来的尖端技术需要能承受极端条件的电子产品。因此,密歇根州立大学的杰森·尼古拉斯领导的研究人员正在研制更强的电路。


尼古拉斯和他的团队在镍的辅助下开发出了更具耐热性的银电路。该团队在4月15日的scrita Materialia杂志上描述了这项由美国能源部固体氧化物燃料电池项目资助的工作。

研究人员建立更强大的电路 使电子设备能够承受极端条件

MSU团队正在研究的新一代燃料电池、高温半导体和固体氧化物电解电池等设备将应用于汽车、能源和航空航天行业。


虽然你现在还不能在货架上买到这些设备,但研究人员目前正在实验室里制造它们,以便在现实世界甚至其他星球上进行测试。


例如,4月22日,美国宇航局开发了一种固体氧化物电解电池,使火星2020“毅力”号火星车能够从火星大气中的气体中制造氧气。美国国家航空航天局希望这一原型有一天能制造出能让宇航员在火星上制造火箭燃料和可呼吸空气的设备。


尼古拉斯是工程学院的一名副教授,他说,为了帮助这种原型机成为商用产品,它们需要在高温下长时间保持性能。


他是在使用固体氧化物燃料电池数年后被吸引到这个领域的,固体氧化物燃料电池的工作原理与固体氧化物电解电池类似。它们不是利用能量来制造气体或燃料,而是从这些化学物质中产生能量。


固体氧化物燃料电池在高温下与气体一起工作。我们能够对这些气体进行电化学反应以获得电流,这一过程比像内燃机那样爆炸燃料要高效得多。


但即使没有爆炸,燃料电池也需要承受高强度的工作条件。

研究人员建立更强大的电路 使电子设备能够承受极端条件

尼古拉斯说,这些设备通常在700到800摄氏度的温度下工作,而且它们必须长时间工作,一生中需要4万个小时。相比之下,这大约是1300到1400华氏度,或大约是商业披萨烤箱温度的两倍。


在这一生中,你在热循环它,尼古拉斯说,你冷却它,然后再加热它。这是一个非常极端的环境。电路引线可能会突然断开。


因此,这项先进技术面临的障碍之一是相当初级的:导电电路通常由银制成,需要更好地与底层的陶瓷组件粘在一起。


研究人员发现,提高附着力的秘诀是在银和陶瓷之间添加一层多孔镍中间层。


通过对这些材料相互作用的实验和计算机模拟,该团队优化了在陶瓷上沉积镍的方式。为了在陶瓷上按照自己选择的图案或设计创造薄的多孔镍层,研究人员转向了丝网印刷。


尼古拉斯说,这和制作T恤所用的丝网印刷是一样的。我们只是丝网印刷电子产品,而不是衬衫。这是一种非常便于生产的技术。


一旦镍就位,研究小组就将其与在1000摄氏度左右融化的银接触。镍不仅能承受这种热量,它的熔点为1455摄氏度,而且它还能利用所谓的毛细管作用将液化的银均匀分布在其细小的特征上。


它几乎就像一棵树,尼古拉斯说,树木通过毛细管作用将水分输送到树枝上。镍通过同样的机制吸走了熔化的银。


一旦银冷却并凝固,镍就会将其固定在陶瓷上,即使在固体氧化物燃料电池或固体氧化物电解电池中,在700到800摄氏度的温度下也会如此。这种方法也有可能帮助其他技术,比如电子技术。


密歇根州立大学技术转让和商业化办公室的技术经理Jon Debling说,有各种各样的电子应用需要能够承受高温或高功率的电路板。这包括汽车、航空航天、工业和军事市场的现有应用,但也包括太阳能电池和固体氧化物燃料电池等较新的应用。


作为一名技术经理,德布林致力于将斯巴达式的创新成果商业化,他还致力于为这一过程申请专利,以创造更坚固的电子产品。


他说,与现有的膏体和气相沉积技术相比,该技术在成本和温度稳定性方面都有显著改进。


对于他来说,Nicholas仍然对那些前沿应用最感兴趣,比如固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解电池。


尼古拉斯说,我们正在努力提高它们在地球和火星上的可靠性。


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