新型导热塑料：可用于防止电子产品过热！

2018 年 4 月 1 日 IntelligentThings John

导读

近日，美国麻省理工学院的团队开发出一种聚合物导热体，这是一种可以传导热量的塑料材料，能够散热而不是绝热。这种新型聚合物既轻量又有柔性，传导的热量是大多数商用聚合物的10倍。

背景

塑料，是性能卓越的绝热体，它可以有效地阻滞热传递，这一优点可以用于咖啡杯隔热套等产品。但是，笔记本电脑和智能手机的塑料外壳等产品中，这种隔热特性并不可取，它会导致产品过热，某种程度上是因为外壳阻滞了这些设备产生的热量向外扩散。电子产品需要具有很好的散热性能，过热会影响其运行性能和使用寿命。

下图是采用塑料外壳的iPhone 5C产品

（图片来源：维基百科）

创新

近日，美国麻省理工学院的团队开发出一种聚合物导热体，它是一种可以传导热量的塑料材料，能够散热而不是绝热。这种新型聚合物既轻量又有柔性，传导的热量是大多数商用聚合物的10倍。

（图片来源：Chelsea Turner/MIT）

麻省理工学院机械功能学院的博士后 Yanfei Xu 表示：“传统的聚合物既绝缘又绝热。导电聚合物的发现与发展带来了柔性显示器和可穿戴生物传感器等新型电子应用。我们的聚合物可以导热，并能更高效地驱散热量。”

Xu 以及博士后、研究生、教员组成的团队，最近将它们的科研成果发表于《科学进展（Science Advances）》杂志。团队成员包括：Xiaoxue Wang （他的贡献与Xu相等）、 Jiawei Zhou、 Bai Song、 Elizabeth Lee、Samuel Huberman、Zhang Jiang（美国阿贡国家实验室物理学家）、Karen Gleason（麻省理工学院副教务长，化学工程系教授）、Gang Chen（麻省理工学院机械工程系负责人、电力工程系教授）。

技术

如果你放大观看一个普通聚合物的显微结构，不难发现为什么这种材料这么容易阻滞热量传递。在微观水平，聚合物是由单体或者分子单元组成的长链，首尾相连。这些链通常纠缠在一起，形成一个意大利面条般的球。载热子很难通过这种无序混乱的结构，往往陷入缠绕纠结的结构中，难以逃脱。

然而，研究人员已经尝试将这些自然的绝热体变为导热体。对于电子产品来说，聚合物将提供了一种独特的特性组合，因为它们是轻量、柔性、化学惰性的。聚合物也是绝缘的，也就是说不导电，因此可防止笔记本电脑和手机等设备在用户使用时发生短路。

近些年来，几个小组都在设计聚合物导热体，包括Chen的小组，该小组在2010年发明了一种通过聚乙烯标准样品创造“超拉伸纳米纤维”的方法。这项技术将凌乱无序的聚合物，拉伸成为极细、有序的链，就像解开一串缠绕着的节日彩灯。Chen 发现，生成的链让热量很容易沿着和通过材料快速移动，因此这种聚合物传导的热量是普通塑料的300倍。

但是，这种“绝热体变成的导热体”（ insulator-turned-conductor）只能沿着每条聚合物链的长度，朝着一个方向散热。热量无法在聚合物链之间传递，因为范德华力（这是一种吸引两个或者更多分子相互靠近的分子间作用力）较弱。Xu 在考虑是否有一种聚合物材料，可以让热量朝着各个方向散发。

Xu 将当前的研究构想为一种尝试，通过同时设计分子内作用力和分子间作用力（她希望这种方法能够带来沿着聚合物链和聚合物链之间的有效热传输），从而设计出具有高导热性的聚合物材料。

团队最终生产出一种导热聚合物聚噻吩（polythiophene），这是一种普遍用于许多电子设备的共轭聚合物。

Xu、Chen 和 Chen的实验室成员与 Gleason 以及她的实验室成员，一起合作开发出一种采用氧化化学气相沉积（oCVD）法生成聚合物导热体的新方法。在这种方法中，两种蒸汽被定向到腔体中以及基底上，发生反应并形成薄膜。Xu 表示：“我们的反应能制造出一种刚性的聚合物链，而不是普通聚合物中的那种扭曲的、意大利面条状态的链。”

在这个案例中，Wang 让氧化剂伴随着单体（单独的分子单元，一旦氧化，就会形成为所谓的聚合物链）蒸汽流进腔体。

Wang 说：“我们在硅/玻璃基底上生长聚合物，利用CVD技术独特的自模板生长机制，氧化剂和单体在基底上被吸收并发生反应。”

Xu 表示：“因为这个样品的广泛使用，例如在太阳能电池、有机场效应管、有机发光二极管中，如果这种材料可以成为导热材料，在所有的有机电子器件中起到散热作用。”

team 团队在测量每个样本的导热性时，采用了时域热反射法（time-domain thermal reflectance）。在这项技术中，他们向材料上发射激光，加热其表面，然后随着热量扩散到材料中，对材料表面的反射进行测量，从而监测表面温度的下降。

Zhou 表示：“表面温度衰退的时域剖面与热量传播的速度相关，从中我们能够计算出导热系数。 ”

平均来说，聚合物样品能够以约2瓦/(米·开尔文)传导热量，比传统聚合物快10倍。在美国阿贡国家实验室，Jiang 和Xu 发现聚合物样品具有近似的各向同性，或者均匀性。这表明材料的特性，例如导热性，也应该近似一致。因此，团队预测材料在各个方向上都具有一样好的导热性，从而增加了它的散热潜力。

价值

这项研究的最大价值在于，开发出新型聚合物材料，帮助改善电子产品的散热性能，防止电子产品过热，从而使得未来电子产品能够具有更好的运行表现和更长的寿命。

下图是一个由于过热而损坏的芯片