Новые полимерные пленки проводят тепло, а не задерживают его
Полимеры обычно являются материалом для теплоизоляции. Подумайте о силиконовой перчатке или кофейной чашке из пенопласта, изготовленных из полимерных материалов, которые отлично удерживают тепло.
Теперь инженеры MIT перевернули картину стандартного полимерного изолятора, изготовив тонкие полимерные пленки, которые проводят тепло — способность, обычно ассоциируемая с металлами. В ходе экспериментов они обнаружили, что пленки, которые тоньше, чем полиэтиленовая пленка, проводят тепло лучше, чем многие металлы, включая сталь и керамику.
Результаты группы, опубликованные в журнале Nature Communications , могут стимулировать разработку полимерных изоляторов в качестве легких, гибких и устойчивых к коррозии альтернатив традиционным металлическим проводникам тепла, для применений, начиная от рассеивающих тепло материалов в ноутбуках и мобильных телефонах и заканчивая охлаждающими элементами в автомобили и холодильники.
«Мы думаем, что этот результат является шагом для стимулирования деятельности», — говорит Ганг Чен, профессор энергетики Карла Ричарда Содерберга в MIT и старший соавтор статьи. «Наше более широкое видение заключается в том, что эти свойства полимеров могут создавать новые области применения и, возможно, новые отрасли промышленности и могут заменить металлы в качестве теплообменников».
Соавторами Чена являются ведущий автор Янфей Сюй, Даниэль Крамер, Бай Сонг, Джиавей Чжоу, Джеймс Лумис, Цзяньцзян Ван, Мигда Ли, Хади Гасеми, Сяопен Хуан, Сяобо Ли из Массачусетского технологического института и Чжан Цзян из Аргоннской национальной лаборатории.
В 2010 году команда сообщила об успехе в изготовлении тонких волокон из полиэтилена, которые были в 300 раз более теплопроводными, чем обычный полиэтилен, и примерно такими же проводящими, как и большинство металлов. Их результаты, опубликованные в журнале Nature Nanotechnology, привлекли внимание различных отраслей, в том числе производителей теплообменников , процессоров с компьютерным ядром и даже гоночных автомобилей.
Вскоре стало ясно, что для того, чтобы полимерные проводники работали для любого из этих применений, материалы должны быть масштабированы от ультратонких волокон (одно волокно, измеряемое до одной сотой диаметра человеческого волоса) до более управляемых пленок. ,
«В то время мы говорили, что вместо одного волокна мы можем попытаться сделать лист», — говорит Чен. «Оказывается, это был очень трудный процесс».
Исследователи должны были не только придумать способ изготовления теплопроводящих листов из полимера, но они также должны были изготовить специальное устройство для проверки теплопроводности материала, а также разработать компьютерные коды для анализа микроскопических изображений материала. структур.
В итоге команда смогла изготовить тонкие пленки из проводящего полимера, начиная с коммерческого полиэтиленового порошка. Обычно микроскопическая структура полиэтилена и большинства полимеров напоминает спагетти-подобный клубок молекулярных цепей. Тепло переживает трудные времена, проходя через этот беспорядок, что объясняет внутренние изолирующие свойства полимера.
Сюй и ее коллеги искали способы распутать молекулярные узлы полиэтилена, чтобы образовать параллельные цепи, вдоль которых тепло может лучше проводить. Для этого они растворили порошок полиэтилена в растворе, который побудил спиральные цепи расширяться и распутываться. Специально созданная система потоков дополнительно распутывала молекулярные цепи и выплевывала раствор на пластину, охлаждаемую жидким азотом, чтобы образовать толстую пленку, которую затем помещали на волочильный станок, который нагревал и растягивал пленку. пока он не был тоньше, чем полиэтиленовая пленка.
Затем команда создала аппарат для проверки теплопроводности пленки. В то время как большинство полимеров проводит тепло от 0,1 до 0,5 Вт на метр на кельвин, Сюй обнаружил, что новая полиэтиленовая пленка имеет мощность около 60 Вт на метр на кельвин. (Алмаз, лучший теплопроводящий материал, имеет мощность около 2000 Вт на метр на кельвин, в то время как керамика измеряет около 30, а сталь около 15.) Как оказалось, пленка команды на два порядка более теплопроводящая чем большинство полимеров, а также более проводящий, чем сталь и керамика.
Чтобы понять, почему эти сконструированные полиэтиленовые пленки обладают такой необычно высокой теплопроводностью , команда провела эксперименты по рассеянию рентгеновских лучей в усовершенствованном источнике фотонов (APS) Министерства энергетики США в Аргоннской национальной лаборатории.
«Эти эксперименты на одной из самых ярких в мире рентгеновских установок синхротрона позволяют нам увидеть наноскопические детали в отдельных волокнах, из которых состоит растянутая пленка», — говорит Цзян.
Получая изображения ультратонких пленок, исследователи обнаружили, что пленки, демонстрирующие лучшую теплопроводность, состоят из нановолокон с менее случайно свернутыми в спираль цепями по сравнению с обычными полимерами, которые напоминают запутанные спагетти. Их наблюдения могут помочь исследователям спроектировать полимерные микроструктуры для эффективного проведения тепла.
«В конце концов, эта мечта стала реальностью», — говорит Сюй.
В дальнейшем исследователи ищут пути создания еще лучших полимерных теплопроводников, регулируя процесс изготовления и экспериментируя с различными типами полимеров.
Чжоу отмечает, что полиэтиленовая пленка команды проводит тепло только по длине волокон, из которых состоит пленка. Такой однонаправленный проводник тепла может быть полезен для отвода тепла в указанном направлении внутри таких устройств, как ноутбуки и другая электроника. Но в идеале он говорит, что пленка должна рассеивать тепло более эффективно в любом направлении.
«Если у нас есть изотропный полимер с хорошей теплопроводностью, то мы можем легко смешать этот материал в композит, и мы можем потенциально заменить много проводящих материалов», — говорит Чжоу. «Таким образом , мы ищем в лучшую тепловой проводимость во всех трех измерениях.»
