麻省理工学院的工程师开发了聚合物导热体

麻省理工学院的工程师已经开发出一种聚合物导热体，这种塑料是一种塑料材料，然而，与直觉相反，它是一种导热体，可以散发热量而不是对其进行隔热。图像：切尔西·特纳/麻省理工学院

塑料是极好的绝缘体，这意味着它们可以有效地吸收热量-这种质量在咖啡杯套等产品中可能是一个优势。但是，这种绝缘性能在诸如笔记本电脑和移动电话的塑料外壳之类的产品中不太理想，因为它们可能会过热，部分原因是覆盖层会捕获设备产生的热量。

现在，麻省理工学院的一个工程师团队已经开发出一种聚合物导热体-一种塑料材料，但是与直觉相反，它是一种导热体，可以散发热量而不是对其进行隔热。这种新型的聚合物重量轻，柔韧性好，其导热能力是大多数商用聚合物的10倍。

传统聚合物既是电绝缘的也是热绝缘的。导电聚合物的发现和发展导致了诸如柔性显示器和可穿戴生物传感器之类的新型电子应用。麻省理工学院机械工程系的博士后Yanyan Xu说道。“我们的聚合物可以更有效地进行导热和散热。我们相信，聚合物可以制成下一代热导体，用于高级热管理应用，例如现有电子设备外壳的自冷替代品。”

徐和一组博士后，研究生和教职人员今天在“科学进展”中发表了他们的研究结果。该团队包括王晓雪，与徐佳伟，周佳玮，白松，伊丽莎白·李和塞缪尔·胡伯曼同等地为这项研究做出了贡献。张江，阿贡国家实验室的物理学家；麻省理工学院副院长卡伦·格里森（Karen Gleason）和亚历山大·迈克尔·卡塞尔（Alexander I. Michael Kasser）化学工程教授；麻省理工学院机械工程系系主任兼卡尔·理查德·索德伯格（Carl Richard Soderberg）动力工程教授。

拉伸意大利面

如果您要放大普通聚合物的微观结构，就不难理解为什么这种材料容易捕获热量。在微观层面上，聚合物是由首尾相连的单体或分子单元的长链制成的。这些链条通常缠在类似意大利面条的球中。热载体很难通过这种无序的混乱，并容易陷入聚合物的缠结和结节中。

然而，研究人员已尝试将这些天然绝热材料转变为导体。对于电子产品，聚合物将提供独特的性能组合，因为它们重量轻，柔软且具有化学惰性。聚合物也是电绝缘的，这意味着它们不导电，因此可以用来防止笔记本电脑和移动电话等设备在用户手中短路。

近年来，有几个小组设计了聚合物导体，其中包括Chen的小组。Chen的小组在2010年发明了一种从标准聚乙烯样品中制造“超拉伸纳米纤维”的方法。该技术将杂乱无序的聚合物拉伸成超薄，有序的链条，就像弄乱一串节日灯一样。Chen发现，所形成的链使热量容易在材料中穿行，与普通塑料相比，聚合物的热量高300倍。

但是，绝缘体匝导体只能沿着每个聚合物链的长度沿一个方向散发热量。由于范德华力弱，热量无法在聚合物链之间传播-这种现象实质上会吸引两个或多个彼此靠近的分子。徐想知道是否可以制造一种聚合物材料来向各个方向散发热量。

Xu认为当前的研究是通过同时工程化分子内和分子间力来工程化具有高导热率的聚合物的尝试，她希望这种方法能够在聚合物链之间以及聚合物链之间进行有效的热传递。

该团队最终生产出一种称为聚噻吩的导热聚合物，这是一种共轭聚合物，通常在许多电子设备中使用。

四面八方的热量提示

Xu，Chen和Chen的实验室成员与Gleason及其实验室成员合作，开发了一种利用氧化化学气相沉积（oCVD）来工程化聚合物导体的新方法，其中两种蒸汽被引导到一个腔室和一个衬底上，在那里他们互动并拍成电影。“我们的反应能够产生刚性的聚合物链，而不是普通聚合物中的类似意大利面条的扭曲链。”徐说。

在这种情况下，Wang将氧化剂与单体蒸气（一种单体分子单元，当被氧化后形成称为聚合物的链）一起流入一个腔室。

Wang说：“我们利用CVD技术独特的自模板生长机制，在硅/玻璃基板上生长了聚合物，氧化剂和单体被吸附并发生了反应。”

Wang制作了相对较大的样本，每个样本的面积为2平方厘米，大约是指纹的大小。

“由于这种样品被广泛使用，例如在太阳能电池，有机场效应晶体管和有机发光二极管中，如果可以使这种材料具有导热性，那么它可以消散所有有机电子产品中的热量，” Xu说。 。

该团队使用时域热反射率测量了每个样品的热导率，该技术是将激光束照射到材料上以加热其表面，然后通过测量材料的反射率来监测其表面温度的下降。材料。

“表面温度衰减的时间分布与热传播的速度有关，由此我们可以计算出热导率，” Zhou说。

平均而言，聚合物样品能够以每瓦每米开尔文2瓦的热量传导热量-比传统聚合物所能达到的速度快10倍。在Argonne国家实验室，Jiang和Xu发现聚合物样品几乎呈各向同性或均匀。这表明该材料的特性（例如其热导率）也应该几乎是均匀的。根据这一推理，研究小组预测该材料应在各个方向上均等地导热，从而增加其散热潜能。

展望未来，该团队将继续探索聚合物电导率背后的基本物理原理，以及使该材料能够用于电子产品和其他产品（例如电池外壳和印刷电路板薄膜）中的方法。

“我们可以将这种材料直接并保形地涂覆在硅片和不同的电子设备上”。“如果我们能够了解热传递在这些无序结构中的工作原理，也许我们还可以推动更高的导热率。然后，我们可以帮助解决这一普遍存在的过热问题，并提供更好的热管理。”

这项研究得到了美国能源部的基本能源科学和麻省理工学院Deshpande中心的部分支持。

出版物：徐艳飞等，“具有高导热性的分子工程共轭聚合物”，《科学进展》，2018年3月30日：卷4，没有3，eaar3031； DOI：10.1126 / sciadv.aar3031