Onderzoekers ontwikkelen nieuwe nonwovens die elektrisch geleidend maar thermisch isolerend zijn

Onderzoekers van de Universiteit van Bayreuth presenteren nieuwe elektrogesponnen nonwovens in Wetenschappelijke vooruitgang die een ongebruikelijke combinatie van hoge elektrische geleidbaarheid en extreem lage thermische geleidbaarheid vertonen.

De nonwovens vertegenwoordigen een doorbraak in materiaalonderzoek: het is mogelijk geworden om elektrische en thermische geleidbaarheid te ontkoppelen op basis van een eenvoudig te implementeren materiaalconcept. De nonwovens zijn gemaakt van keramiek op basis van koolstof en silicium via een elektrospinproces en zijn aantrekkelijk voor technologische toepassingen, bijvoorbeeld in energietechnologie en elektronica. Ze kunnen op industriële schaal kosteneffectief worden vervaardigd en verwerkt.

Normaal gesproken wordt een hoge elektrische geleidbaarheid geassocieerd met een hoge thermische geleidbaarheid, en een lage thermische geleidbaarheid gaat gepaard met een lage elektrische geleidbaarheid. In veel hightech industrieën is er echter een groeiende belangstelling voor multifunctionele materialen die een goede elektrische combinatie combineren met een laag thermisch transport.

Hoewel er verschillende strategieën zijn ontwikkeld in de materialen, zoals dichte anorganische materialen, geconjugeerde polymeren en legeringen, is het bereiken van extreem lage thermische geleidbaarheid in combinatie met hoge elektrische geleidbaarheid nog steeds een grote uitdaging voor flexibele, vouwbare materialen.

Het onderzoeksteam van de Universiteit van Bayreuth heeft een innovatief concept ontdekt om deze uitdaging aan te gaan: nieuwe elektrogesponnen nonwovens zijn gemaakt van op koolstof en silicium gebaseerd keramiek en bestaan ​​uit vezels met een nanostructuur van het zee-eilandtype en met een diameter tussen 500 en 600 nanometer.

Elke vezel bevat een matrix van koolstof waarin keramische fasen van nanoformaat homogeen zijn verdeeld. De deeltjes vormen kleine “eilandjes” in de “zee” van koolstofmatrix en hebben tegengestelde, complementaire effecten. De koolstofmatrix zorgt voor het transport van elektronen in de vezels en dus voor een hoge elektrische geleidbaarheid, terwijl het op silicium gebaseerde keramiek van nanoformaat net zo gemakkelijk voorkomt dat thermische energie zich verspreidt.

Dit komt omdat de interface tussen het keramiek van nanoformaat en de koolstofmatrix erg hoog is, terwijl de poriën van het vlies erg klein zijn. Als gevolg hiervan is er een sterke verstrooiing van fononen, de kleinste fysieke eenheden van trillingen die worden veroorzaakt door thermische energie. Er treedt geen continu gerichte warmtestroom op.

De ongebruikelijke combinatie van hoge elektrische en extreem lage thermische geleidbaarheid wordt nu benadrukt door een vergelijking met meer dan 3.900 materialen van alle soorten, waaronder keramiek, koolstof, natuurlijke materialen, synthetische polymeren, metalen, glazen en verschillende composieten. Elektronentransport en thermische energie-isolatie waren meer gekoppeld in het nieuwe elektrogesponnen composietvezelmateriaal dan in die andere materialen.

“Onze elektrogesponnen nonwovens combineren zeer aantrekkelijke multifunctionele eigenschappen die gewoonlijk worden verdeeld over verschillende materiaalklassen: hoge elektrische geleidbaarheid, thermische isolatie die bekend is van polymeerschuimen en onbrandbaarheid en hittebestendigheid kenmerkend voor keramiek. De vezels zijn gebaseerd op een eenvoudig materiaalconcept , en ze werden gemaakt van commerciële polymeren’, zegt eerste auteur Dr. Xiaojian Liao, een postdoctoraal onderzoeker in macromoleculaire chemie aan de Universiteit van Bayreuth.

“We zijn ervan overtuigd dat onze nieuwe vezels geschikt zijn voor verschillende toepassingsgebieden: bijvoorbeeld op het gebied van energiebeheer, elektromobiliteit op batterijen, slim textiel of ruimtevaart”, zegt prof. dr. Seema Agarwal, hoogleraar macromoleculaire chemie bij de Universiteit van Bayreuth en een van de corresponderende auteurs van deze nieuwe studie. Het interdisciplinaire team van de Universiteit van Bayreuth, met expertise op het gebied van keramiek, polymeren, elektrospinning, fysische chemie en elektronenmicroscopie, heeft dit werk tot een succes gemaakt.