『纳米 聚合物』美麻省理工学院研制出导热纳米结构聚合物

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『纳米 聚合物』美麻省理工学院研制出导热纳米结构聚合物

麻省理工学院的工程师们发现的聚合物薄膜材料比许多金属(包括钢)和陶瓷的导热性能更好。该研究成果可能会刺激聚合物绝缘体的研究发展,将其作为传统金属导热材料的轻质、柔性和耐腐蚀替代品。

聚合物通常是保温材料的首选材料。硅胶烤箱手套或聚苯乙烯泡沫塑料咖啡杯,两者都是由聚合物材料制成,这些材料都能很好地的捕集热量。

现在,麻省理工学院的工程师们已经通过制造能够传导热量的聚合物薄膜,改变了标准聚合物绝缘体的图景。在实验中,他们发现的薄膜材料比塑料薄膜薄,比许多金属(包括钢)和陶瓷的导热性能更好。该研究小组的研究成果发表在Nature Communications杂志上(“具有金属状导热系数的纳米结构聚合物薄膜”),可能会刺激聚合物绝缘体的研究发展,将其作为传统金属导热材料的轻质、柔性和耐腐蚀替代品,适用于笔记本电脑和手机中的散热材料,以及汽车和冰箱中的冷却元件。

2010年,该团队报告说,制造出热传导率是普通聚乙烯300倍的聚乙烯薄纤维,其导热性能可与大多数金属媲美。他们的研究结果发表在Nature Nanotechnology杂志(“具有极高导热系数的聚乙烯纳米纤维”)上,引起了各行业的关注,包括热交换器,计算机核心处理器甚至赛车制造商。

他们很快就发现,为了使聚合物导体适用于任何类似应用,材料必须从超薄纤维(单根纤维直径为人类头发直径的百分之一)扩大到更易处理的薄膜。研究人员不仅必须想出一种方法来制造聚合物导热片,而且他们还必须定制一种装置来测试材料的热传导,并开发计算机代码来分析材料微观结构的图像。

最后,研究小组从一种商用聚乙烯粉末开始,成功地制作了导电聚合物薄膜。一般情况下,聚乙烯和大多数聚合物的微观结构是类似于意大利面一样的分子链缠结,热量很难通过这种杂乱无章的结构,这解释了聚合物固有的绝缘性能。

研究人员想方设法解开聚乙烯的分子结,形成平行链,热量可以更好地传导。为了做到这一点,他们将聚乙烯粉末溶解在一种溶液中,这种溶液会促使缠绕的链膨胀和解开。定制的流动系统进一步解开分子链,并将溶液喷出到液氮冷却板上形成厚膜,然后将其放置在卷对卷拉丝机上,加热并拉伸薄膜直到它比保鲜膜更薄。然后该团队建立了一个测试薄膜热传导的装置。结果表明,研究小组的薄膜比大多数聚合物高两个数量级,而且比钢和陶瓷还要导电。

为了解这些工程聚乙烯薄膜为何具有如此高的导热率,该团队在美国能源部的阿贡国家实验室的先进光子源(APS)进行了X射线散射实验。通过对超薄薄膜进行成像,研究人员观察到,具有更好热传导性的薄膜由纳米纤维组成,其随机卷曲链较少,而普通聚合物则类似于缠结的意大利面条。他们的观察可以帮助研究人员设计聚合物微结构以有效地传导热量。

展望未来,研究人员正在寻找通过调整制造工艺和试验不同类型聚合物来制造更好的聚合物导热体的方法。该团队的聚乙烯薄膜仅沿构成薄膜的纤维长度方向传导热量。这种单向热导体可用于在诸如膝上型电脑和其他电子设备之类的设备内以特定方向传送热量。但理想情况下,薄膜应该在任何方向上更有效地散热。

研究人员说:“如果我们有一个具有良好导热性的各向同性聚合物,那么我们可以很容易地将这种材料混合成一种复合材料,并且我们可以潜在地替代大量的导电材料。所以我们正在研究所有三维的更好的热传导材料。”

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