美國(guó)高校研發(fā)新型汽車降溫材料 導(dǎo)熱性提升20倍

日前，一個(gè)由佐治亞理工學(xué)院(Georgia Tech)研究學(xué)者領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研究宣布，其通過電解過程生產(chǎn)制造出了排列整齊的聚合物納米纖維，該聚合物納米纖維可以用作導(dǎo)熱新材料，其導(dǎo)熱效率比常規(guī)聚合物導(dǎo)熱效率提高了20倍，該經(jīng)過改善的聚合物納米纖維導(dǎo)熱材料在溫度高達(dá)200攝氏度時(shí)仍具有非常高的可靠性。其中，聚合物材料的分子鍵通常是雜亂無(wú)章的，這降低了聚合物材料中導(dǎo)熱聲子的平均自由程，因此聚合物材料一般具有絕熱特性。

該全新聚合物納米纖維導(dǎo)熱材料在掃描電子顯微鏡下的結(jié)構(gòu)顯示金屬極板襯底上生長(zhǎng)出的聚噻吩納米纖維呈陣列排布，該生長(zhǎng)陣列中既包含實(shí)心纖維又包含中控纖維管，其中不同的納米纖維直徑是由金屬極板襯底上小孔的大小所決定的

該全新聚合物納米纖維導(dǎo)熱材料由于其導(dǎo)熱性能的大幅提升，所以可以用來(lái)為服務(wù)器電子器件、汽車電子、高亮度LED以及一些其他移動(dòng)電子設(shè)備提供散熱功能。該全新聚合物納米纖維導(dǎo)熱材料由吸熱器(heat sinks)和散熱鐵蓋(heat spreaders)等設(shè)備制成，其緊緊貼附設(shè)備表面，這樣可以有效避免因?yàn)槠渌麑?dǎo)熱材料熱導(dǎo)性不相同而產(chǎn)生的可靠性失效等問題。目前，關(guān)于該技術(shù)的相關(guān)文章已經(jīng)發(fā)表在了《自然納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)期刊雜志。

佐治亞理工學(xué)院機(jī)械工程助理教授Baratunde Cola作為以上文章的通訊作者，其在文章中介紹道：“隨著目前設(shè)備的體積越來(lái)越小，其熱管理方案也越來(lái)越復(fù)雜。而該全新聚合物納米纖維導(dǎo)熱材料不僅可靠性得到了大幅提升，而且其還具有解決以上問題的強(qiáng)大潛質(zhì)。該全新聚合物納米纖維導(dǎo)熱材料最終將很有可能為我們?cè)O(shè)計(jì)電子系統(tǒng)提供更多的選擇余地?！?

該項(xiàng)目研究獲得了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation)的支持。其中參與研究的人員由來(lái)自佐治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology)、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校(University of Texas at Austin)以及雷神公司(Raytheon Company)的研究人員組成。其中，來(lái)自佐治亞理工學(xué)院?jiǎn)讨巍·伍德拉夫?qū)W院(George W. Woodruff School)的機(jī)械工程科學(xué)家Virendra Singh和來(lái)自伍德拉夫的博士研究生Thomas Bougher是該技術(shù)文章的共同第一作者。

雖然非晶體聚合物材料的熱傳導(dǎo)效率可以通過為聚合物創(chuàng)建規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)來(lái)得到改善，但是以上規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)需要通過纖維拉絲過程得到，并且該結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)設(shè)備冷熱工作循環(huán)發(fā)生膨脹收縮過程中非常脆弱易碎。

該全新聚合物納米纖維導(dǎo)熱材料由共軛高分子和聚噻吩組成。該全新聚合物納米纖維導(dǎo)熱材料可以使聚合物分子鍵有序排列提高聚合物內(nèi)導(dǎo)熱聲子的平均自由程，并且不會(huì)出現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)易碎的特征。該材料的納米纖維在室溫情況下其熱導(dǎo)效率可以達(dá)到4.4 Wm–1K–1。對(duì)于該材料熱導(dǎo)效率的大幅提升研究學(xué)者表示，正是由于在電解過程中采用了具有納米級(jí)別的電極才使得該納米纖維材料的分子鍵方向統(tǒng)一沿纖維軸向方向。

汽車電子穩(wěn)定工作溫度最高可以達(dá)到200攝氏度，而該全新聚合物納米纖維導(dǎo)熱材料在200攝氏度溫度下導(dǎo)熱性能同樣通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于汽車電子芯片與散熱片是采用焊錫焊接的，而200攝氏度的溫度已經(jīng)達(dá)到了焊錫的回流溫度，因此在200攝氏度時(shí)如果不能實(shí)現(xiàn)良好的散熱效果，那么系統(tǒng)中的電子器件可靠性將大大降低。

Baratunde Cola還表示：“普通聚合物一般在低溫時(shí)便已經(jīng)開始產(chǎn)生降解作用，所以其通常不會(huì)被考慮設(shè)計(jì)到該類應(yīng)用中。但是事實(shí)上，此共軛聚合物納米纖維導(dǎo)熱材料已經(jīng)成功應(yīng)用到了太陽(yáng)能電池和其他電子設(shè)備中，另外還可用于熱導(dǎo)材料等。正是因?yàn)榇斯曹椌酆衔锛{米纖維導(dǎo)熱材料比傳統(tǒng)聚合物分子鍵連接更強(qiáng)，所以其熱穩(wěn)定性才得到了大幅的提升，以上應(yīng)用就是充分利用其具有較高的熱穩(wěn)定性等特性?！?

該全新聚合物納米纖維導(dǎo)熱材料的晶體結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)過程是一個(gè)多步驟過程。該過程首先需要一塊表面覆滿小孔的氧化鋁電極，而且還需要包含有單體有機(jī)前質(zhì)(所謂有機(jī)前質(zhì)就是原水中的腐植質(zhì)和一些具有乙?；鶊F(tuán)的低分子量有機(jī)物)的電解質(zhì)。在兩電極之間添加電勢(shì)后，兩電極上小孔位置處開始吸引單體有機(jī)前質(zhì)從而形成中空的納米纖維。電解回路中電流的大小和控制生長(zhǎng)的時(shí)間決定了納米纖維的長(zhǎng)度以及壁厚，而電極上小孔的大小則決定了納米纖維的直徑。根據(jù)電極上小孔直徑的大小可以得到直徑為18-300納米直徑的納米纖維。

在形成單體有機(jī)前質(zhì)分子鍵后，納米纖維的形成過程與電聚合過程是交叉同步進(jìn)行的，在得到預(yù)定的材料后電極即被移除掉。至此得到的物質(zhì)結(jié)構(gòu)就可以通過水或者其他溶液利用毛細(xì)作用或范德華力將其展開并粘附到電子設(shè)備上。

Baratunde Cola還表示：“通過電化學(xué)聚合處理方法，我們可以使聚合物分子鍵規(guī)整化。而兩電極又可以保證聚合物分子鍵避免出現(xiàn)晶體化重組而使材料始終保持非晶體狀態(tài)。如果以晶體的定義來(lái)看，此全新聚合物納米纖維導(dǎo)熱材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織屬于非晶體狀態(tài)，但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有序化程度又比真正的非晶體高很多，在我們的實(shí)驗(yàn)樣品中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有序化達(dá)到了40%?！?

雖然該全新聚合物納米纖維導(dǎo)熱材料新技術(shù)目前理論上還不能完全為人所理解且仍然需要進(jìn)一步的研究發(fā)展，但是Baratunde Cola堅(jiān)信在未來(lái)該新技術(shù)將得到大范圍的應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化發(fā)展。該全新聚合物納米纖維導(dǎo)熱材料的應(yīng)用將使可靠性導(dǎo)熱材料的厚度達(dá)到3微米，而之前常規(guī)的導(dǎo)熱材料厚度達(dá)到了50-75微米。

隨著目前電子期間的體積越來(lái)越小，功率越來(lái)越大，其散熱問題也越來(lái)越突出。工程師們一直致力于尋找一種具有高效導(dǎo)熱效率的新材料。為提高材料的導(dǎo)熱效率可以通過提到材料導(dǎo)熱率和提高接觸面積來(lái)解決。Baratunde Cola研發(fā)團(tuán)隊(duì)就采用了提高接觸面積的方法，其研究發(fā)現(xiàn)在許多導(dǎo)熱效果很好的材料中只有不到1%的導(dǎo)熱材料用到了接觸導(dǎo)熱，Baratunde Cola由此看到了巨大的可能，因此其決定重點(diǎn)研究提高導(dǎo)熱材料接觸面積的方法。

對(duì)此，Baratunde Cola是這樣表示的：“由于提高材料自身特性較為復(fù)雜，因此我決定放棄提高材料自身的導(dǎo)熱率，從而決定研究開發(fā)一種能夠切實(shí)提高導(dǎo)熱接觸面積的材料。”

Baratunde Cola表示自己是在閱讀了一篇介紹“壁虎腳”(gecko foot)應(yīng)用的文章后，發(fā)現(xiàn)這種名為“壁虎腳”的材料可以達(dá)到大約80%的接觸面積。因此，其決定開始著力研究能夠提高導(dǎo)熱接觸面積的新材料。

該全新聚合物納米纖維導(dǎo)熱材料試驗(yàn)樣品在200攝氏度的高溫中進(jìn)行了80次的熱循環(huán)測(cè)試，在測(cè)試過程中其導(dǎo)熱性能并未出現(xiàn)任何的明顯變化。雖然該新材料工作原理機(jī)制需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，但是Baratunde Cola相信通過吸附得到的聚合物材料強(qiáng)度要比通過粘合得到的聚合物材料強(qiáng)度強(qiáng)很多。