High-density electronics thermal management with flame-retardant flexible phase change materials

ऊष्मा की समस्या और आकार बदलने वाला समाधान

कल्पना कीजिए कि आपका पसंदीदा स्मार्टफोन या एक शक्तिशाली इलेक्ट्रिक कार की बैटरी एक छोटे, उच्च-प्रदर्शन वाले शहर की तरह है। इसके अंदर, अरबों इलेक्ट्रॉन काम करने के लिए इधर-उधर दौड़ रहे हैं, लेकिन किसी भी व्यस्त महानगर की तरह, वे बहुत अधिक ऊष्मा (हीट) भी पैदा करते हैं। यदि इस ऊष्मा को प्रबंधित नहीं किया गया, तो यह शहर अत्यधिक गर्म होकर बंद हो सकता है या इसमें आग भी लग सकती है। दशकों से, इंजीनियर इन उपकरणों को ठंडा करने के लिए पंखों (एक्टिव कूलिंग) का उपयोग करने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन पंखे भारी होते हैं, शोर करते हैं और बैटरी की शक्ति को सोख लेते हैं।

यहाँ प्रवेश होता है फेज चेंज मैटेरियल्स (PCMs) का। इन्हें "थर्मल स्पंज" के रूप में सोचें। एक साधारण स्पंज के विपरीत जो पानी सोखता है, एक थर्मल स्पंज ऊष्मा को सोखता है। जब उपकरण गर्म होता है, तो यह पदार्थ पिघल जाता है, जिससे यह बिना खुद बहुत अधिक गर्म हुए भारी मात्रा में ऊर्जा को सोख लेता है। यह उपकरण को ठंडा रखता है। हालाँकि, इसमें एक पेंच है: पारंपरिक PCMs बर्फ के टुकड़ों की तरह होते हैं जो पिघलकर पानी बन जाते हैं। यदि वे लीक हो जाएं, तो वे इलेक्ट्रॉनिक्स को खराब कर सकते हैं। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक पिघलने वाले पदार्थ को एक लचीले प्लास्टिक जाल (पॉलीयुरेथेन) में लपेटते हैं ताकि वह "पिघलने" के दौरान भी ठोस बना रहे। लेकिन यहाँ एक नई समस्या है: ये प्लास्टिक जाल अक्सर ज्वलनशील होते हैं (जैसे कैंपफायर का इंतज़ार कर रहा हो) और यदि बैटरी अधिक झुकती या कंपन करती है, तो वे टूट भी सकते हैं। वैज्ञानिकों के सामने बड़ा सवाल यह है: क्या हम एक ऐसा थर्मल स्पंज बना सकते हैं जो लचीला हो, लीक न हो, आग न पकड़े और यदि इसमें कोई खरोंच आए तो यह खुद को ठीक भी कर सके?

शोध की खोज: एक स्व-उपचार करने वाला, अग्नि-रोधी थर्मल कंबल

यह शोध पत्र एक नए पदार्थ को पेश करता है जिसे FR-D-PUPCM कहा जाता है, जो बैटरी के लिए एक सुपरहीरो कंबल की तरह कार्य करता है। हेबेई यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के लियू यांग और झोंगाओ राव के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने एक ऐसा पदार्थ बनाया है जो "लीक, टूटने और जलने" की समस्याओं को एक साथ हल करता है।

"जादुई" जाल: स्व-उपचार और लचीलापन
इस सामग्री का मुख्य हिस्सा पॉलीयुरेथेन से बना एक विशेष प्लास्टिक जाल है। इस जाल के भीतर, उन्होंने PEG नामक पदार्थ की लंबी श्रृंखलाओं को फँसाया है (जो ऊष्मा सोखने वाले स्पंज के रूप में कार्य करता है)। इस जाल को अत्यंत मजबूत और स्व-उपचार (सेल्फ-हीलिंग) में सक्षम बनाने के लिए, वैज्ञानिकों ने "मॉलिक्यूलर टोपोलॉजी इंजीनियरिंग" नामक एक चतुर तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने इस जाल को दो प्रकार के "गोंद" का उपयोग करके बनाया:

1. हाइड्रोजन बॉन्ड्स: ये कमजोर वेल्क्रो स्ट्रिप्स की तरह हैं। जब सामग्री को खींचा जाता है तो ये आसानी से टूट जाते हैं लेकिन तेजी से वापस जुड़ जाते हैं, जिससे सामग्री लचीली बनी रहती है और कमरे के तापमान पर छोटी दरारों को भर देती है।
2. डाइसल्फाइड बॉन्ड्स: ये भारी-भरकम ज़िपर्स की तरह हैं। ये गर्म होने पर खुल और फिर से जुड़ सकते हैं, जिससे सामग्री बड़े फटने या टूटने की मरम्मत कर सकती है।

इन दोनों को मिलाकर, सामग्री अविश्वसनीय रूप से लचीली हो गई (यह बिना टूटे अपने मूल आकार के 1773% तक खिंच सकती थी) और यह स्वयं को ठीक करने में सक्षम थी। यदि आप सामग्री को बीच से काट दें और उसे 80 °C तक गर्म करें, तो कट 10 मिनट में गायब हो जाएगा, और सामग्री अपनी मूल मजबूती का 91.60% वापस पा लेगी। यह कपड़े के एक टुकड़े की तरह है जो, यदि फट जाए, तो उसे तब तक प्रेस (आयरन) किया जा सकता है जब तक कि फटा हुआ हिस्सा गायब न हो जाए।

अग्नि-रोधी ढाल
स्व-उपचार करने वाले जाल के बावजूद, यदि बैटरी बहुत गर्म हो जाए तो इसमें आग लग सकती है। इसे रोकने के लिए, टीम ने सतह पर एक पतली, 220 μm (माइक्रोमीटर) मोटी कोटिंग जोड़ी। यह कोटिंग एक स्मार्ट, फैलने वाले कवच की तरह है। इसमें विशेष सामग्रियां (जैसे विस्तार योग्य ग्रेफाइट और एल्युमीनियम ऑक्साइड) शामिल हैं जो ऊष्मा के प्रति प्रतिक्रिया करती हैं। जब सामग्री गर्म होती है, तो यह कोटिंग ऑक्सीजन और ऊष्मा को रोकने के लिए एक मोटी, झुलसी हुई बाधा (charred barrier) के रूप में फूल जाती है।

परिणाम प्रभावशाली थे:

• अग्नि सुरक्षा: सामग्री ने सख्त UL-94 V-0 अग्नि सुरक्षा परीक्षण पास किया, जिसका अर्थ है कि यह लगभग तुरंत बुझ जाती है और पिघला हुआ प्लास्टिक नहीं टपकाती।
• ऊष्मा अवशोषण: कोटिंग के बावजूद, सामग्री ने बहुत अधिक ऊष्मा अवशोषित की, जिसका "फेज चेंज एन्थैल्पी" 86.27 J/g था।
• ऊष्मा स्थानांतरण: कोटिंग ने वास्तव में ऊष्मा को सामग्री के माध्यम से तेजी से गुजरने में मदद की, जिससे इसकी थर्मल कंडक्टिविटी बढ़कर 0.59 W m⁻¹ K⁻¹ हो गई, जो बैटरी को अधिक कुशलता से ठंडा करने में मदद करती है।

सुपरपावर्स का परीक्षण
शोधकर्ताओं ने इस सामग्री का परीक्षण लिथियम-आयन बैटरियों पर किया, जो फोन और कारों के लिए ऊर्जा के स्रोत हैं।

• कूलिंग पावर: जब एक बैटरी उच्च गति (3C रेट) पर डिस्चार्ज हो रही थी, तो खाली बैटरी 71.7 °C तक गर्म हो गई। FR-D-PUPCM कंबल के साथ, उच्चतम तापमान गिरकर 51.3 °C रह गया। यह 20.4 °C का अंतर है, जो बैटरी को बहुत सुरक्षित क्षेत्र में रखता है।
• आग फैलने को रोकना: एक डरावने "थर्मल रनवे" परीक्षण (जहाँ एक बैटरी सेल में आग लग जाती है और वह अपने पड़ोसी को आग लगाने की कोशिश करता है) में, यह सामग्री एक फायरवॉल की तरह कार्य करती है। बिना इस सामग्री के, दूसरी बैटरी तुरंत आग पकड़ लेती है। इस सामग्री के साथ, आग को दूसरी बैटरी तक पहुँचने में 1430 सेकंड अधिक का समय लगा, और पहली और दूसरी बैटरी के बीच आग लगने के समय में 550% की वृद्धि हुई। यह सिस्टम को बंद होने या सुरक्षा प्रणालियों के सक्रिय होने के लिए महत्वपूर्ण समय देता है।

यह क्या नहीं है
शोध पत्र सावधानीपूर्वक यह नोट करता है कि अग्नि-रोधी कोटिंग जोड़ने से बिना कोटिंग वाली सामग्री की तुलना में उसकी खिंचाव क्षमता (स्ट्रेचिनेस) थोड़ी कम हो गई, लेकिन यह वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए पर्याप्त लचीली थी। उन्होंने यह भी पाया कि कोटिंग की मोटाई मायने रखती है: 2 mm सबसे सटीक बिंदु ("स्वीट स्पॉट") है। पतली परतें (1 mm) पर्याप्त ऊष्मा नहीं रोक पाती थीं, और मोटी परतें (3 mm) कूलिंग प्रक्रिया को बहुत धीमा कर देती थीं।

निष्कर्ष
यह शोध पत्र केवल एक नया विचार ही नहीं सुझाता है; इसने मापा और सिद्ध किया है कि एक एकल पदार्थ लचीला, स्व-उपचार करने वाला, अग्नि-रोधी और बैटरी को ठंडा करने में उत्कृष्ट हो सकता है। एक दोहरे नेटवर्क वाले प्लास्टिक जाल और एक स्मार्ट विस्तार योग्य कोटिंग का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा समाधान बनाया है जो उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनिक्स को सुरक्षित और अधिक विश्वसनीय बना सकता है, जिससे संभावित रूप से उस तरह के ओवरहीटिंग को रोका जा सकता है जो डिवाइस की विफलता या आग का कारण बनता है।