聚合物材料,也就是通常說的塑料,是一種非常棒的熱絕緣體。我們?nèi)粘I钪械挠玫降木郾揭蚁ㄅ菽┮淮涡圆秃泻捅叵?、建筑用的保溫板?a target="_blank">產(chǎn)品都是利用了這一特征。
可惜,雖然聚合物材料具有非常優(yōu)秀的輕便、耐用、柔韌和抗腐蝕等特性,但其熱絕緣性卻意味著它們無緣電子、汽車等對散熱和冷卻有著嚴(yán)格要求的領(lǐng)域。但正是因此,科學(xué)家們一直在研究有什么方法可以提升聚合物的導(dǎo)熱性,更好地利用聚合物替代金屬和陶瓷等傳統(tǒng)散熱材料。
近日,麻省理工學(xué)院(MIT)的研究團隊發(fā)明了一種高導(dǎo)熱性的聚乙烯薄膜,其中的纖維由晶態(tài)和非晶態(tài)區(qū)域組成。薄膜整體導(dǎo)熱系數(shù)高達 62?Wm?1 K?1,是普通聚合物導(dǎo)熱性的數(shù)百倍,甚至還超過了常見的金屬和陶瓷(作為對比,鋼的導(dǎo)熱系數(shù)在 17 Wm?1 K?1左右)。成功的在聚合物導(dǎo)熱材料的路上邁出一大步。
相關(guān)研究成果發(fā)表于Nature Communications期刊上。
九年前奠定的基石
事實上,該研究成果基于同一團隊 2010 年的另一項研究,當(dāng)時他們發(fā)明了一種超細聚乙烯(PE)纖維——單根纖維直徑只有頭發(fā)絲的百分之一——有著非常優(yōu)異的導(dǎo)熱性,超過普通聚乙烯纖維 300 倍,吸引了很多計算機處理器制造商和賽車制造商的關(guān)注。之后他們就開始嘗試拓展研究成果,將一根根纖維“連成”一張薄膜。
研究團隊領(lǐng)導(dǎo)者之一,麻省理工學(xué)院電力工程系主任陳剛教授表示,“事實證明,這是一個非常艱難的過程?!?/p>
圖 | 內(nèi)部纖維渲染圖:從雜亂無章到排列有序(來源:陳剛)
他們必須要找到一種制造高導(dǎo)熱聚乙烯薄膜的技術(shù),還要設(shè)計和制造設(shè)備來測試材料的導(dǎo)熱性,再用特殊設(shè)備來分析材料的微觀結(jié)構(gòu),找到它的工作原理,為未來的改良和拓展工作打下基礎(chǔ)。
為了讓研究成果能夠更好地應(yīng)用,研究人員選擇了常見的商用超高分子聚乙烯粉末,作為制備高導(dǎo)熱性薄膜的原材料。一般來說,聚乙烯等聚合物內(nèi)部的分子鏈會糾纏在一起,其微觀結(jié)構(gòu)看起來很像纏在一起的意大利面條,使得熱量難以穿過。這也是其擁有絕佳絕緣性能的原因。
有序排列的聚乙烯分子鏈
研究團隊發(fā)現(xiàn),獲得高熱導(dǎo)率的關(guān)鍵在于解開聚乙烯的分子鏈纏結(jié),盡可能地將它們有序排列,讓熱量可以更順暢地傳導(dǎo)。
他們使用了熱十氫化萘溶劑,這是一種常見的工業(yè)溶劑,可以使分子鏈膨脹和解開,然后將聚乙烯粉末溶解在其中,再導(dǎo)入一套特制的泰勒-庫埃特流動系統(tǒng),通過施加剪切力進一步降低糾纏程度。
為了維持分子鏈的狀態(tài),研究人員直接將聚乙烯溶液噴灑在液氮冷卻板上,形成一層厚膜。最后他們將厚膜放在卷筒拉絲機上,不斷加熱和拉伸薄膜,使分子鏈可以更自由地移動,并且?guī)椭鼈冄乩旆较驅(qū)R,最終達到一種比普通保鮮膜還要薄的狀態(tài)。
圖 | 從聚乙烯粉末,變成厚膜,再變成薄膜(來源:MIT)
制造出聚乙烯薄膜后,研究團隊還建造了一個測試其熱傳導(dǎo)能力的裝置,可以對電加熱功率和溫度等數(shù)據(jù)建模,從而計算在不同拉伸程度下的導(dǎo)熱系數(shù)。
結(jié)果顯示,拉伸比為 110 倍時,薄膜的熱導(dǎo)系數(shù)約為 62 Wm?1 K?1,而大多數(shù)普通聚合物的熱導(dǎo)系數(shù)僅有 0.1 - 0.5 Wm?1 K?1左右,性能提高了數(shù)百倍。相比之下,性能優(yōu)異的傳統(tǒng)導(dǎo)熱材料陶瓷的系數(shù)約為 30 Wm?1 K?1,只有新型薄膜的一半。
提高非晶態(tài)區(qū)域的導(dǎo)熱性
為了搞清楚薄膜超高導(dǎo)熱率背后的原理,研究團隊使用了美國阿貢國家實驗室的大型同步加速器——先進光子源(APS)——進行 X 射線散射實驗。APS 的 X 射線可以“照亮”薄膜內(nèi)部纖維的晶體結(jié)構(gòu),幫助研究人員看清單根纖維內(nèi)的納米級細節(jié)。
觀察結(jié)果顯示,相比普通聚乙烯薄膜,該薄膜內(nèi)部的纏結(jié)更少,納米纖維排列更加整齊。
令研究人員驚訝的是,這些納米纖維由晶態(tài)和非晶態(tài)區(qū)域組成。過去的研究表明,提高結(jié)晶程度是提高熱導(dǎo)性能的關(guān)鍵,但這次發(fā)現(xiàn)的非晶態(tài)區(qū)域仍然具有非常高的熱導(dǎo)系數(shù),約為 16 Wm?1 K?1,遠超預(yù)期值。
圖 | 內(nèi)部結(jié)構(gòu)由“意大利面條狀”(左)變得更加整齊(右)(來源:MIT研究團隊)
研究團隊在分析數(shù)據(jù)后認為,經(jīng)過拉伸之后,非晶態(tài)區(qū)域的分子鏈不再雜亂無章,而是在某種程度上變得更加整齊了,大幅提升了該區(qū)域的熱導(dǎo)性。這也是薄膜整體具有超高熱導(dǎo)率的核心因素,意味著以追求高結(jié)晶度為主的熱導(dǎo)研究思路可能需要改變。
不過該聚乙烯薄膜目前仍有局限性,它僅能順著纖維的方向傳導(dǎo)熱量,雖然可以用于電子產(chǎn)品內(nèi)部,沿著特定方向散熱,但在最理想的狀態(tài)下,薄膜應(yīng)該具備全方位的散熱能力。
這也是團隊未來的研究方向之一。除此之外,他們還計劃繼續(xù)優(yōu)化制造工藝,探索如何制備熱導(dǎo)能力更強的聚合物,并且嘗試改造不同類型的聚合物,甚至將它們混合在一起,制造出散熱效果更好的復(fù)合材料。
就像九年前的高導(dǎo)熱性纖維一樣,這次的研究為以后更具實用價值的成果打下了基礎(chǔ),同時啟發(fā)了相關(guān)領(lǐng)域的其它團隊。相信隨著強導(dǎo)熱性聚合物的出現(xiàn),其柔韌、輕便和易加工的特性將被進一步挖掘,有望扮演替代金屬和陶瓷等傳統(tǒng)散熱材料的關(guān)鍵制角色,最終推動電子元件等領(lǐng)域的制造工藝進步。
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原文標(biāo)題:MIT團隊發(fā)明超級導(dǎo)熱塑料薄膜,導(dǎo)熱性提升數(shù)百倍后竟可超越金屬
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