Szkła poddane obróbce ciśnieniowej w celu zwiększenia przewodności cieplnej

Kryształy mają tendencję do bardzo dobrego przewodzenia ciepła, przy czym diament wykonany z węgla jest najlepszym przewodnikiem, i krystaliczny krzem, który jest podstawowym materiałem do konstrukcji przyrządów mikroelektronicznych, również zdolny do przenoszenia ciepła bardzo dobrze, co zapobiega przegrzewaniu się chipów mikroprocesorowych. Zdolność kryształu do przewodzenia ciepła związana jest z kolektywnym ruchem atomów, czyli jonów, w postaci rozchodzących się fali termo-mechanicznej, powstającej dzięki uporządkowanemu rozkładowi atomów/jonów tworzących kryształ. Jednakże, atomy w niektórych materiałach doświadczają trudności z uporządkowaniem się podczas syntezy. Prominentnym przykładem są szkła na bazie tlenków, takie jak dwutlenek krzemu, czyli szkło krzemionkowe, lub większość polimerów, z których wykonane są tworzywa sztuczne. polimerów, z których wytwarza się tworzywa sztuczne. Te niekrystaliczne materiały, tj. szkła, wykazują bardzo niską przewodność cieplną, ponieważ w ich wnętrzu jest niewiele rozchodzących się fal cieplnych, a zamiast tego, większość drgań atomowych jest nieukierunkowana i nie jest w stanie przenieść dużej ilości ciepła.

Ponadto, w przypadku szkieł tlenkowych, które ze względu na swoją przezroczystość optyczną mają wiele ważnych zastosowań, przewodność cieplna jest nie tylko niska, ale jej zakres jest również bardzo wąski. Niska przewodność może być zaletą, gdy celem jest izolacja termiczna, jak na przykład w przypadku ochronnej osłony promu kosmicznego na bazie krzemionki. W wielu przypadkach jednak, niska przewodność cieplna jest niekorzystna. Na przykład, podczas syntezy materiału niska przewodność cieplna prowadzi do dużych różnic temperatur w całym materiale, co powoduje naprężenia termiczne i może powodować przedwczesne pęknięcia i uszkodzenia.

W naszym projekcie, podążając za wskazówkami z pracy naszej i prac innych badaczy, wykorzystamy modele komputerowe i symulacje, aby zbadać czy szkła zagęszczone pod wysokim ciśnieniem mogą mieć znacznie większą przewodność cieplną niż zwykłe szkło. Symulacje komputerowe pozwolą określić przewodność cieplną zależność przewodności cieplnej od struktury atomowej szkieł, a także do oceny wkładu poszczególnych fal termicznych do transportu termicznego . Wyniki symulacji dostarczą nam wskazówek, dzięki którym będziemy syntetyzować szkła w laboratorium pod różnymi ciśnieniami i w różnych temperaturach. Będziemy określić własności strukturalne i właściwości termo-mechaniczne tych szkieł, a przede wszystkim przewodnictwo cieplne. Wyniki eksperymentalne zostaną wykorzystane do wspomagania modelowania poprzez weryfikacje przewidywań z symulacji, a w razie potrzeby dostarczając wskazówek przy opracowywaniu dokładniejszych modeli.

Ogromne znaczenie proponowanych prac będzie polegało na znacznym zwiększeniu zdolności szkieł do zwiększenia efektywnego przenoszenia ciepła. Praca ta przyczyni się również do lepszego zrozumienia mechanizmu transportu ciepła w szkłach. Z aplikacyjnego punktu widzenia, opracowanie protokołów syntezy umożliwiających tworzenie szkieł o znacznie większej przewodności będzie bardzo interesujące dla komercyjnych firm zajmujących się wytwarzaniem szkieł i może rozszerzyć zastosowanie szkieł na nowe produkty i urządzenia, które wymagają efektywnych strategii odprowadzania ciepła.