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MIT团队发明超级导热塑料薄膜,导热性提升数百倍后竟可超越金属

北极蚊子 2019-5-14 14:45

聚合物材料,也就是通常说的塑料,是一种非常棒的热绝缘体。我们日常生活中的用到的聚苯乙烯(泡沫)一次性餐盒和保温箱、建筑用的保温板等产品都是利用了这一特征。

可惜,虽然聚合物材料具有非常优秀的轻便、耐用、柔韧和抗腐蚀等特性,但其热绝缘性却意味着它们无缘电子、汽车等对散热和冷却有着严格要求的领域。但正是因此,科学家们一直在研究有什么方法可以提升聚合物的导热性,更好地利用聚合物替代金属和陶瓷等传统散热材料。

近日,麻省理工学院(MIT)的研究团队发明了一种高导热性的聚乙烯薄膜,其中的纤维由晶态和非晶态区域组成。薄膜整体导热系数高达 62 Wm−1 K−1,是普通聚合物导热性的数百倍,甚至还超过了常见的金属和陶瓷(作为对比,钢的导热系数在 17 Wm−1 K−1左右)。成功的在聚合物导热材料的路上迈出一大步。

(来源:陈刚)

相关研究成果发表于 Nature Communications 期刊上。

九年前奠定的基石

事实上,该研究成果基于同一团队 2010 年的另一项研究,当时他们发明了一种超细聚乙烯(PE)纤维——单根纤维直径只有头发丝的百分之一——有着非常优异的导热性,超过普通聚乙烯纤维 300 倍,吸引了很多计算机处理器制造商和赛车制造商的关注。之后他们就开始尝试拓展研究成果,将一根根纤维“连成”一张薄膜。

研究团队领导者之一,麻省理工学院电力工程系主任陈刚教授表示,“事实证明,这是一个非常艰难的过程。”

图 | 内部纤维渲染图:从杂乱无章到排列有序(来源:陈刚)

他们必须要找到一种制造高导热聚乙烯薄膜的技术,还要设计和制造设备来测试材料的导热性,再用特殊设备来分析材料的微观结构,找到它的工作原理,为未来的改良和拓展工作打下基础。

为了让研究成果能够更好地应用,研究人员选择了常见的商用超高分子聚乙烯粉末,作为制备高导热性薄膜的原材料。一般来说,聚乙烯等聚合物内部的分子链会纠缠在一起,其微观结构看起来很像缠在一起的意大利面条,使得热量难以穿过。这也是其拥有绝佳绝缘性能的原因。

有序排列的聚乙烯分子链

研究团队发现,获得高热导率的关键在于解开聚乙烯的分子链缠结,尽可能地将它们有序排列,让热量可以更顺畅地传导。

他们使用了热十氢化萘溶剂,这是一种常见的工业溶剂,可以使分子链膨胀和解开,然后将聚乙烯粉末溶解在其中,再导入一套特制的泰勒-库埃特流动系统,通过施加剪切力进一步降低纠缠程度。

为了维持分子链的状态,研究人员直接将聚乙烯溶液喷洒在液氮冷却板上,形成一层厚膜。最后他们将厚膜放在卷筒拉丝机上,不断加热和拉伸薄膜,使分子链可以更自由地移动,并且帮助它们沿拉伸方向对齐,最终达到一种比普通保鲜膜还要薄的状态。

图 | 从聚乙烯粉末,变成厚膜,再变成薄膜(来源:MIT)

制造出聚乙烯薄膜后,研究团队还建造了一个测试其热传导能力的装置,可以对电加热功率和温度等数据建模,从而计算在不同拉伸程度下的导热系数。

结果显示,拉伸比为 110 倍时,薄膜的热导系数约为 62 Wm−1 K−1,而大多数普通聚合物的热导系数仅有 0.1 - 0.5 Wm−1 K−1 左右,性能提高了数百倍。相比之下,性能优异的传统导热材料陶瓷的系数约为 30 Wm−1 K−1,只有新型薄膜的一半

提高非晶态区域的导热性

为了搞清楚薄膜超高导热率背后的原理,研究团队使用了美国阿贡国家实验室的大型同步加速器——先进光子源(APS)——进行 X 射线散射实验。APS 的 X 射线可以“照亮”薄膜内部纤维的晶体结构,帮助研究人员看清单根纤维内的纳米级细节。

观察结果显示,相比普通聚乙烯薄膜,该薄膜内部的缠结更少,纳米纤维排列更加整齐。

令研究人员惊讶的是,这些纳米纤维由晶态和非晶态区域组成。过去的研究表明,提高结晶程度是提高热导性能的关键,但这次发现的非晶态区域仍然具有非常高的热导系数,约为 16 Wm−1 K−1,远超预期值。

图 | 内部结构由“意大利面条状”(左)变得更加整齐(右)(来源:MIT研究团队)

研究团队在分析数据后认为,经过拉伸之后,非晶态区域的分子链不再杂乱无章,而是在某种程度上变得更加整齐了,大幅提升了该区域的热导性。这也是薄膜整体具有超高热导率的核心因素,意味着以追求高结晶度为主的热导研究思路可能需要改变。

不过该聚乙烯薄膜目前仍有局限性,它仅能顺着纤维的方向传导热量,虽然可以用于电子产品内部,沿着特定方向散热,但在最理想的状态下,薄膜应该具备全方位的散热能力。

这也是团队未来的研究方向之一。除此之外,他们还计划继续优化制造工艺,探索如何制备热导能力更强的聚合物,并且尝试改造不同类型的聚合物,甚至将它们混合在一起,制造出散热效果更好的复合材料。

就像九年前的高导热性纤维一样,这次的研究为以后更具实用价值的成果打下了基础,同时启发了相关领域的其它团队。相信随着强导热性聚合物的出现,其柔韧、轻便和易加工的特性将被进一步挖掘,有望扮演替代金属和陶瓷等传统散热材料的关键制角色,最终推动电子元件等领域的制造工艺进步。

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