Es klingt vielleicht nicht einleuchtend, aber Forscher am MIT haben Kunststoff verwendet, der allgemein als Material für Wärmeisolatoren bekannt ist Entwickeln Sie den Wärmeleiter der nächsten Generation.

"Heutzutage ist die Wärmeableitung eine immer größere Herausforderung für integrierte Bauelemente, die sich immer weiter in Richtung Nanometer verkleinern", sagte Yanfei Xu, Postdoc am MIT-Department für Maschinenbau und Co-Hauptautor der Studie.

Die Herausforderung wurde im Zuge des Massenrückrufs des Samsung Galaxy Note 7 nach Berichten über eine Explosion aufgrund von Überhitzung in 2016 deutlich, und Unternehmen haben in die Entwicklung einer intelligenteren Wärmeableitungstechnik für wiederaufladbare Geräte investiert.

Laut Xu benötigte die Industrie im Gegensatz zu den traditionellen Materialien für Wärmeleiter wie Metalle und Keramik ein leichtes, flexibles und wirtschaftliches Material, das Wärme effizient ableitet.

Die Studie ist veröffentlicht in Wissenschaft Fortschritte.

Der Wärmeleiter der nächsten Generation

Kunststoffe sind auch als hergestellte Polymere bekannt, die aus langen Ketten von Monomeren oder molekularen Einheiten hergestellt sind, die Ende an Ende verbunden sind. Da diese Ketten oft verschlungen sind, wird Wärme in den Polymerknäueln und -knoten eingeschlossen, wodurch Kunststoffe zu großen Wärmeisolatoren werden.

Aber die MIT-Forscher sahen etwas anderes. Kunststoffe sind Leicht, flexibel und chemisch inert, dh sie leiten keinen Strom und können daher verwendet werden, um zu verhindern, dass Geräte wie Laptops und Mobiltelefone in den Händen der Benutzer kurzgeschlossen werden. Wenn sie nur Wärme besser ableiten könnten, Kunststoffe könnten das Wärme abgebende, nicht wärmeabsorbierende Material der nächsten Generation sein.

Die Methode

In 2010 haben Gang Chen, Leiter der Fakultät für Maschinenbau am MIT und Professor für Energietechnik bei Carl Richard Soderberg, und sein Forscherteam eine Methode erfunden, um die chaotischen, ungeordneten Polymere in ultradünne, geordnete Ketten zu strecken.

Sie fanden heraus, dass die resultierenden Ketten die Wärme leicht durch und durch das Material überspringen ließen, und dass das Polymer 300 im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen so viel Wärme lieferte.

Der aus dem Isolator gedrehte Leiter konnte die Wärme jedoch nur in eine Richtung entlang der Länge jeder Polymerkette ableiten. Hitze konnte nicht zwischen Polymerketten wandern.

Als Xu von der Entwicklung des Teams hörte, fragte er sich, ob dieses Polymermaterial dazu gebracht werden könne, Wärme in alle Richtungen abzuleiten.

In Zusammenarbeit mit einem Team von Postdocs, Absolventen und Fakultäten, darunter Chen und Karen Gleason, stellvertretender Professor des MIT und Alexander I. Michael Kasser, Professor für Chemieingenieurwesen, Xu und Xiaoxue Wang, Doktorand an der School of Engineering des MIT und Co-Hauptautor der Studie, entwickelten eine Methode, die einen effizienten Wärmetransport entlang und zwischen Polymerketten ermöglicht.

Sie verwendeten oxidative chemische Gasphasenabscheidung (oCVD), wobei Monomere und Oxidationsmittel in eine Vakuumkammer und auf ein Substrat geleitet werden, wo die Polymerisation stattfindet. Und ein dünner, einzigartig oCVD-gezüchteter Polymerfilm mit mehr geordneter Struktur wird gebildet, so dass Wärme sowohl entlang als auch über die längeren und geordneten Ketten transportiert werden kann.

"Wir haben eine ausgedehntere und geordnetere Kettenstruktur mit guten intermolekularen Wechselwirkungen erhalten, verglichen mit der statistischen Spulenstruktur in herkömmlichen Polymeren", sagte Wang.

Testen des Materials

Das Team fertigte relativ große Proben mit einer Größe von jeweils zwei Quadratzentimetern an - ungefähr so ​​groß wie ein Daumenabdruck.

Um zu testen, wie effizient das neue Polymer Wärme abgeleitet hat, haben sie die Wärmeleitfähigkeit jeder Probe mithilfe des Wärmereflexionsvermögens im Zeitbereich gemessen - eine Technik, bei der sie einen Laser auf das Material schießen, um dessen Oberfläche zu erwärmen und dann den Abfall der Oberflächentemperatur durch Messen zu überwachen Das Reflexionsvermögen des Materials, wenn sich die Wärme in das Material ausbreitet.

Durchschnittlich leiteten die Polymerproben Wärme mit etwa 2 Watt pro Meter pro Kelvin - etwa 10-mal schneller als das, was herkömmliche Polymere erreichen können.

Das Team stellte fest, dass die Polymerproben nahezu isotrop oder einheitlich wirkten, was darauf hindeutet, dass die Materialeigenschaften, wie z. B. die Wärmeleitfähigkeit, ebenfalls einheitlich sein sollten.

In Übereinstimmung mit dieser Feststellung argumentierte das Team, dass das Material Wärme gleichmäßig in alle Richtungen leiten sollte, wodurch das Potenzial zur Wärmeableitung erhöht wird.

Der nächste Schritt

Das Team wird weiterhin die grundlegenden physikalischen Grundlagen der Polymerleitfähigkeit erforschen sowie Möglichkeiten, um Kunststoffe für die Elektronik und andere Produkte wie Gehäuse für Batterien und Folien für Leiterplatten zu verwenden.

"Wir können dieses Material direkt und konform auf Siliziumwafer und verschiedene elektronische Geräte auftragen", sagte Xu in einer Erklärung. „Wenn wir verstehen, wie der Wärmetransport in diesen ungeordneten Strukturen funktioniert, können wir möglicherweise auch auf eine höhere Wärmeleitfähigkeit drängen. Dann können wir helfen, dieses weit verbreitete Überhitzungsproblem zu lösen und ein besseres Wärmemanagement zu gewährleisten. “