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塑料隔热体变成热导体

文章来源：未知更新时间：2018-04-04 15:43:53

塑料是绝佳的隔热体，它们可以有效地吸收热量。它的隔热性可以很好的用于咖啡杯套筒等方面。但是塑料的隔热性在面对某些方面时也无能为力，譬如笔记本电脑和手机塑料外壳之类的产品，因为它们的外壳会阻隔内部器件产生的热量使其过热。

据报道，目前，麻省理工学院的一个工程师团队开发出了一种聚合热导体。它是一种另类的塑料，可以作为热导体散热而不是单纯的用来隔热。这种新型聚合物不仅重量轻，柔韧性好，还可以承受比大多数商用聚合物热量的10倍还多的热量。

麻省理工学院机械工程系博士后Yanfei Xu说“传统的聚合物既可以隔电又可以隔热，导电聚合物的研究和开发为人们带来了全新的电子应用，如柔性显示器和可穿戴式生物传感器。我们的聚合热导体能够更有效地传导和消除热量，我们相信该聚合物可以用于先进热管理应用的下一代热导体，例如替代现有的电子套管进行自冷却。”

今天，Xu 和该团队的其他博士后，研究生以及老师们在Science Advances中发表了他们的结果。团队里的Xiaoxue Wang，Xu, Jiawei Zhou, Bai Song, Elizabeth Lee, Samuel Huberman，阿贡国家实验室的物理学家Zhang Jiang，麻省理工的副校长Karen Gleason，化学工程系教授Alexander I. Michael Kasser，麻省理工学院机械工程系主任Gang Chen和动力工程系教授Carl Richard Soderber共同为这项研究做出了贡献。

意大利面式拉伸

如果要放大观察该聚合物的微观结构，就不难明白为什么该材料能够很容易的隔绝热量。在微观层面上，聚合物是由长链分子单体或分子单元首尾相连组成。这些链条经常缠成一个好像用意大利面条做成的球中。热载体在这种杂乱无章的混乱中很难移动，并逐渐迷失在聚合物形成的一团乱麻中。

然而，研究人员试图将这些天然绝热体变成导体。对于电子产品来说，聚合物可以将重量轻，灵活且具有化学惰性凳特性结合在一起提供独特的组合。电绝缘聚合物意味着它们不导电，因此可以用来防止笔记本电脑和移动电话等设备在顾客手中短路。

近年来，有几个团队设计了聚合物导体，其中包括Chen 的团队在2010年发明的一种用标准聚乙烯样品制造“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，就像解开了一串缠在一起的节日灯光一样。 Chen发现，利用这种办法生成的链条能够使热量沿着材料轻松跃过，并且该聚合物传导的热量比普通塑料高出300倍。

但隔热体转向导体只能沿着每条聚合物链延长的方向散热。由于范德华力弱，热量不能在聚合物链之间传播，而这种现象基本上会吸引两个以上的分子彼此接近。而Xu 想知道的是，聚合物材料是否在各个方向散发热量？

Xu认为目前的研究是试图通过高分子量和分子间作用力来设计具有高导热率的聚合物，她希望这种方法能够实现聚合物链与链之间的有效热传递。

该团队最终生产出一种称为聚噻吩的导热聚合物，是一种常用于电子设备中的共轭聚合物。

全方位传导热量

Xu ，Chen和他实验室的其他成员与Gleason 及其实验室的其他成员共同合作，开发了一种利用氧化化学气相沉积（oCVD）法设计聚合物导体的新方法，即将两种蒸气导入腔室内和基板上，在那里它们相互作用并形成薄膜。Xu 表示：“这种反应能够产生刚性聚合物链，而不是之前聚合物中那种扭曲的意大利面条状链。”

另外，Wang 利用氧化剂与单体蒸气共同流入腔室内，使单个分子单元在被氧化时形成聚合物链。

Wang说：“我们在硅/玻璃基板上让聚合物利用CVD独特的自模板生长机制进一步生长，同时氧化剂和单体蒸气被吸附并反应。”

Wang 生产的样品规模相对较大，每个样品的尺寸约为2平方厘米，和拇指指纹一样大。

Xu 说“该样品像太阳能电池，有机场效应晶体管和有机发光二极管一样广泛应用，如果这种材料能够导热，那它可以散发所有有机电子元件中的热量。”

该团队使用时域热反射测量每个样品的热导率，即将激光照射到材料表面上进行加热，然后通过测量材料的反射率来监测表面温度的变化。

“表面温度衰减的时间分布与散热的速度有关，我们可以从中计算出热导率。”Zhou说。

一般来说，聚合物样品能够以2W/m2的速度传导热量，比普通聚合物还快大约10倍。在阿贡国家实验室，Jiang和 Xu发现聚合物样品几乎都呈各向同性或均一性。这表明材料的导热性等特性，也应该接近相似。根据这个推理，该小组预测，材料应该在各个方向上均匀传导热量，从而增加其散热潜能。

未来，该团队将继续探索聚合物电导率背后的基础物理学，以及如何使该材料用于电子产品和其他产品，如电池外壳和印刷电路板薄膜。

Xu说：“我们可以直接并统一的将这种材料涂覆到硅晶片和不同的电子设备上。如果我们能够理解它们是如何在这些无序结构中进行热传传输，那么我们也可以得到更高的热导率，然后我们就可以帮助解决一直困扰我们的过热问题，并提供更好的热管理。”

这项研究得到了美国能源部基础能源科学和麻省理工学院Deshpande Center.的支持。

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