塑料是絕佳的隔熱體,它們可以有效地吸收熱量。它的隔熱性可以很好的用于咖啡杯套筒等方面。但是塑料的隔熱性在面對某些方面時也無能為力,譬如筆記本電腦和手機塑料外殼之類的產品,因為它們的外殼會阻隔內部器件產生的熱量使其過熱。
據報道,目前,麻省理工學院的一個工程師團隊開發出了一種聚合熱導體。它是一種另類的塑料,可以作為熱導體散熱而不是單純的用來隔熱。這種新型聚合物不僅重量輕,柔韌性好,還可以承受比大多數商用聚合物熱量的10倍還多的熱量。
麻省理工學院機械工程系博士后Yanfei Xu說“傳統的聚合物既可以隔電又可以隔熱,導電聚合物的研究和開發為人們帶來了全新的電子應用,如柔性顯示器和可穿戴式生物傳感器。我們的聚合熱導體能夠更有效地傳導和消除熱量,我們相信該聚合物可以用于先進熱管理應用的下一代熱導體,例如替代現有的電子套管進行自冷卻。”
今天,Xu 和該團隊的其他博士后,研究生以及老師們在Science Advances中發表了他們的結果。團隊里的Xiaoxue Wang,Xu, Jiawei Zhou, Bai Song, Elizabeth Lee, Samuel Huberman,阿貢國家實驗室的物理學家Zhang Jiang,麻省理工的副校長Karen Gleason,化學工程系教授Alexander I. Michael Kasser,麻省理工學院機械工程系主任Gang Chen和動力工程系教授Carl Richard Soderber共同為這項研究做出了貢獻。
意大利面式拉伸
如果要放大觀察該聚合物的微觀結構,就不難明白為什么該材料能夠很容易的隔絕熱量。在微觀層面上,聚合物是由長鏈分子單體或分子單元首尾相連組成。這些鏈條經常纏成一個好像用意大利面條做成的球中。熱載體在這種雜亂無章的混亂中很難移動,并逐漸迷失在聚合物形成的一團亂麻中。
然而,研究人員試圖將這些天然絕熱體變成導體。對于電子產品來說,聚合物可以將重量輕,靈活且具有化學惰性凳特性結合在一起提供獨特的組合。電絕緣聚合物意味著它們不導電,因此可以用來防止筆記本電腦和移動電話等設備在顧客手中短路。
近年來,有幾個團隊設計了聚合物導體,其中包括Chen 的團隊在2010年發明的一種用標準聚乙烯樣品制造“超拉伸納米纖維”的方法。該技術將雜亂無序的聚合物拉伸成超薄有序的鏈條,就像解開了一串纏在一起的節日燈光一樣。 Chen發現,利用這種辦法生成的鏈條能夠使熱量沿著材料輕松躍過,并且該聚合物傳導的熱量比普通塑料高出300倍。
但隔熱體轉向導體只能沿著每條聚合物鏈延長的方向散熱。由于范德華力弱,熱量不能在聚合物鏈之間傳播,而這種現象基本上會吸引兩個以上的分子彼此接近。而Xu 想知道的是,聚合物材料是否在各個方向散發熱量?
Xu認為目前的研究是試圖通過高分子量和分子間作用力來設計具有高導熱率的聚合物,她希望這種方法能夠實現聚合物鏈與鏈之間的有效熱傳遞。
該團隊最終生產出一種稱為聚噻吩的導熱聚合物,是一種常用于電子設備中的共軛聚合物。
全方位傳導熱量
Xu ,Chen和他實驗室的其他成員與Gleason 及其實驗室的其他成員共同合作,開發了一種利用氧化化學氣相沉積(oCVD)法設計聚合物導體的新方法,即將兩種蒸氣導入腔室內和基板上,在那里它們相互作用并形成薄膜。Xu 表示 :“這種反應能夠產生剛性聚合物鏈,而不是之前聚合物中那種扭曲的意大利面條狀鏈。”
另外,Wang 利用氧化劑與單體蒸氣共同流入腔室內,使單個分子單元在被氧化時形成聚合物鏈。
Wang說:“我們在硅/玻璃基板上讓聚合物利用CVD獨特的自模板生長機制進一步生長,同時氧化劑和單體蒸氣被吸附并反應。”
Wang 生產的樣品規模相對較大,每個樣品的尺寸約為2平方厘米,和拇指指紋一樣大。
Xu 說“該樣品像太陽能電池,有機場效應晶體管和有機發光二極管一樣廣泛應用,如果這種材料能夠導熱,那它可以散發所有有機電子元件中的熱量。”
該團隊使用時域熱反射測量每個樣品的熱導率,即將激光照射到材料表面上進行加熱,然后通過測量材料的反射率來監測表面溫度的變化。
“表面溫度衰減的時間分布與散熱的速度有關,我們可以從中計算出熱導率。”Zhou說。
一般來說,聚合物樣品能夠以2W/m2的速度傳導熱量,比普通聚合物還快大約10倍。在阿貢國家實驗室,Jiang和 Xu發現聚合物樣品幾乎都呈各向同性或均一性。這表明材料的導熱性等特性,也應該接近相似。根據這個推理,該小組預測,材料應該在各個方向上均勻傳導熱量,從而增加其散熱潛能。
未來,該團隊將繼續探索聚合物電導率背后的基礎物理學,以及如何使該材料用于電子產品和其他產品,如電池外殼和印刷電路板薄膜。
Xu說:“我們可以直接并統一的將這種材料涂覆到硅晶片和不同的電子設備上。如果我們能夠理解它們是如何在這些無序結構中進行熱傳傳輸,那么我們也可以得到更高的熱導率,然后我們就可以幫助解決一直困擾我們的過熱問題,并提供更好的熱管理。”
這項研究得到了美國能源部基礎能源科學和麻省理工學院Deshpande Center.的支持。 |