Ingeniører gjør plastisolator til varmeleder

30.Mars 2018

Forskere ved MIT har utviklet en ny måte å konstruere en polymerstruktur på molekylært nivå, via kjemisk dampavsetning. Dette gjør det mulig for stive, bestilte kjeder, versus rotete, ‘spaghetti-lignende tråder’ som normalt utgjør en polymer. Denne kjedelignende strukturen muliggjør varmetransport både langs og på tvers av kjeder. Kreditt: Mit/Chelsea Turner

Plast er gode isolatorer, noe som betyr at De effektivt kan fange varme-en kvalitet som kan være en fordel i noe som en kaffekopphylse. Men denne isolerende egenskapen er mindre ønskelig i produkter som plasthylster for bærbare datamaskiner og mobiltelefoner, som kan overopphetes, delvis fordi beleggene fanger varmen som enhetene produserer.

nå har et team av ingeniører ved MIT utviklet en polymer termisk leder—et plastmateriale som, men counterintuitively, fungerer som en varmeleder, sprer varme i stedet for å isolere den. De nye polymerene, som er lette og fleksible, kan utføre 10 ganger så mye varme som de fleste kommersielt brukte polymerer.

«Tradisjonelle polymerer er både elektrisk og termisk isolerende. Oppdagelsen og utviklingen av elektrisk ledende polymerer har ført til nye elektroniske applikasjoner som fleksible skjermer og bærbare biosensorer,» sier Yanfei Xu, en postdoc i Mits Institutt For Maskinteknikk. «Vår polymer kan termisk utføre og fjerne varme mye mer effektivt. Vi tror at polymerer kan gjøres om til neste generasjons varmeledere for avanserte varmestyringsapplikasjoner, for eksempel et selvkjølende alternativ til eksisterende elektronikkhylster.»

Xu Og et team av postdoktorer, studenter og fakultet, har publisert sine resultater i Dag I Science Advances. Teamet inkluderer Xiaoxue Wang, som bidro like til forskningen Med Xu, Sammen Med Jiawei Zhou, Bai Song, Elizabeth Lee Og Samuel Huberman; Zhang Jiang, fysiker Ved Argonne National Laboratory; Karen Gleason, associate provost OF MIT Og Alexander I. Michael Kasser Professor Of Chemical Engineering; Og Gang Chen, leder AV Mits Institutt For Maskinteknikk og Carl Richard Soderberg Professor Of Power Engineering.

Stretching spaghetti

Hvis du skulle zoome inn på mikrostrukturen til en gjennomsnittlig polymer, ville det ikke være vanskelig å se hvorfor materialet fanger varme så lett. På mikroskopisk nivå er polymerer laget av lange kjeder av monomerer, eller molekylære enheter, koblet ende til ende. Disse kjedene er ofte sammenflettet i en spaghetti-lignende ball. Varmebærere har det vanskelig å bevege seg gjennom dette uordenlige rotet og har en tendens til å bli fanget i de polymere snarls og knuter.

og likevel har forskere forsøkt å gjøre disse naturlige termiske isolatorene til ledere. For elektronikk vil polymerer tilby en unik kombinasjon av egenskaper, da de er lette, fleksible og kjemisk inerte. Polymerer er også elektrisk isolerende, noe som betyr at de ikke leder strøm, og kan derfor brukes til å forhindre enheter som bærbare datamaskiner og mobiltelefoner fra kortslutning i brukernes hender.Flere grupper har utviklet polymer ledere de siste årene, inkludert Chen gruppe, som i 2010 oppfunnet en metode for å lage «ultradrawn nanofibers» fra en standard prøve av polyetylen. Teknikken strukket rotete, uordnede polymerer i ultratynne, bestilte kjeder-mye som untangling en rekke ferie lys. Chen fant at de resulterende kjedene gjorde det mulig for varme å hoppe lett langs og gjennom materialet, og at polymeren utførte 300 ganger så mye varme sammenlignet med vanlig plast.

men isolator-dreide lederen kunne bare spre varme i en retning, langs lengden av hver polymerkjede. Varme kunne ikke reise mellom polymerkjeder, på grunn av svake van Der Waals—krefter-et fenomen som i hovedsak tiltrekker seg to eller flere molekyler nær hverandre. Xu lurte på om et polymermateriale kunne gjøres for å spre varmen bort, i alle retninger.Xu oppfattet den nåværende studien som et forsøk på å konstruere polymerer med høy termisk ledningsevne, ved samtidig å konstruere intramolekylære og intermolekylære krefter—en metode som hun håpet ville muliggjøre effektiv varmetransport langs og mellom polymerkjeder.laget produserte til slutt en varmeledende polymer kjent som polytiofen, en type konjugert polymer som ofte brukes i mange elektroniske enheter.Hint av varme i alle retninger Xu, Chen og medlemmer Av chens laboratorium slo Seg sammen Med Gleason og hennes laboratoriemedlemmer for å utvikle en ny måte å konstruere en polymerleder ved hjelp av oksidativ kjemisk dampavsetning (oCVD), hvorved to damper ledes inn i et kammer og på et substrat, hvor De samhandler og danner en film. «Vår reaksjon var i stand til å skape stive kjeder av polymerer, i stedet for de vridde, spaghetti-lignende trådene i normale polymerer.»Xu sier.I Dette tilfellet strømmet Wang oksidanten inn i et kammer, sammen med en damp av monomerer – individuelle molekylære enheter som, når de oksyderes, dannes i kjedene kjent som polymerer.»vi vokste polymerer på silisium / glass substrater, på hvilke oksidant og monomerer er adsorbert og reagert, utnytte den unike selv-templated vekstmekanisme AV CVD-teknologi,» Wang sier.

Wang produserte relativt store prøver, hver måler 2 kvadratcentimeter – om størrelsen på et tommelavtrykk.»Fordi denne prøven brukes så allestedsnærværende, som i solceller, organiske felt-effekt transistorer og organiske lysdioder, hvis dette materialet kan gjøres for å være termisk ledende, kan det spre varme i all organisk elektronikk,» Sier Xu.teamet målte hver prøves termiske ledningsevne ved hjelp av termisk refleksjon i tidsdomene-en teknikk der de skyter en laser på materialet for å varme opp overflaten og deretter overvåke fallet i overflatetemperaturen ved å måle materialets refleksjon når varmen sprer seg inn i materialet.»den tidsmessige profilen til forfallet av overflatetemperaturen er relatert til hastigheten på varmespredning, hvorfra Vi kunne beregne termisk ledningsevne,» Sier Zhou.i gjennomsnitt var polymerprøvene i stand til å lede varme på omtrent 2 watt per meter per kelvin – omtrent 10 ganger raskere enn hva konvensjonelle polymerer kan oppnå. Ved Argonne National Laboratory fant Jiang Og Xu at polymerprøver virket nesten isotrope eller ensartede. Dette antyder at materialets egenskaper, som termisk ledningsevne, også skal være nesten jevn. Etter denne begrunnelsen forutslo teamet at materialet skulle lede varme like godt i alle retninger, og øke sitt varmeavledende potensial.Fremover vil teamet fortsette å utforske den grunnleggende fysikken bak polymerledningsevne, samt måter å gjøre det mulig for materialet å bli brukt i elektronikk og andre produkter, for eksempel foringsrør for batterier og filmer for trykte kretskort.»Vi kan direkte og konformt belegge dette materialet på silisiumskiver og forskjellige elektroniske enheter» Sier Xu. «Hvis vi kan forstå hvordan termisk transport i disse uordnede strukturer, kan vi kanskje også presse for høyere termisk ledningsevne. Da kan vi bidra til å løse dette utbredte overopphetingsproblemet, og gi bedre termisk styring.»

Mer informasjon: «Molekylær konstruert konjugert polymer med høy termisk ledningsevne» Vitenskap Fremskritt (2018). advances.sciencemag.org/content/4/3/eaar3031

Journal informasjon: Vitenskap Fremskritt

Levert av Massachusetts Institute Of Technology

Legg igjen en kommentar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert.