Varmeledende plastik kan føre til lettere elektronik, biler

Avanceret plast kan indføre lettere, billigere, mere energieffektive produktkomponenter, herunder dem, der bruges i køretøjer Lysdioder og computere - hvis bare de var bedre til at sprede varme.

En ny teknik, der kan ændre plastens molekylære struktur for at hjælpe den med at aflede varme, er et lovende skridt i den retning.

Udviklet af et team af forskere i University of Michigan inden for materialevidenskab og maskinteknik og detaljeret i en ny undersøgelse offentliggjort i Videnskab fremskridt , processen er billig og skalerbar.

Konceptet kan sandsynligvis tilpasses en række andre plastmaterialer. Ved indledende test, den gjorde en polymer omtrent lige så varmeledende som glas - stadig langt mindre end metaller eller keramik, men seks gange bedre til at sprede varme end den samme polymer uden behandlingen.

"Plast erstatter metaller og keramik mange steder, men de er så dårlige varmeledere, at ingen engang overvejer dem til applikationer, der kræver, at varme skal spredes effektivt, "sagde Jinsang Kim, U-professor i materialevidenskab og teknik. "Vi arbejder på at ændre det ved at anvende termisk teknik til plast på en måde, der ikke er gjort før."

Processen er en stor afvigelse fra tidligere tilgange, som har fokuseret på at tilføje metalliske eller keramiske fyldstoffer til plast. Dette har haft begrænset succes; en stor mængde fyldstoffer skal tilføjes, hvilket er dyrt og kan ændre plastens egenskaber på uønskede måder. I stedet, den nye teknik anvender en proces, der konstruerer selve materialets struktur.

Plast er lavet af lange kæder af molekyler, der er tæt viklet og viklet som en skål med spaghetti. Når varme bevæger sig gennem materialet, den skal rejse langs og mellem disse kæder - en besværlig, rundkørsel, der hindrer dens fremgang.

Teamet-som også omfatter UM-lektor i maskinteknik Kevin Pipe, maskiningeniør forsker Chen Li og materialevidenskab og ingeniørstuderende Apoorv Shanker - brugte en kemisk proces til at udvide og rette molekylkæderne. Dette gav varmeenergi en mere direkte rute gennem materialet. For at opnå dette, de startede med en typisk polymer, eller plastik. De opløste først polymeren i vand, derefter tilsat elektrolytter til opløsningen for at øge dens pH, gør det basisk.

De enkelte led i polymerkæden - kaldet monomerer - får en negativ ladning, hvilket får dem til at frastøde hinanden. Da de spredte sig fra hinanden, de åbner kædens stramme spoler. Endelig, vand- og polymeropløsningen sprøjtes på plader ved hjælp af en fælles industriel proces kaldet spin -støbning, som rekonstituerer det til en massiv plastfilm.

De uspolede molekylkæder i plasten gør det lettere for varmen at rejse gennem den. Teamet fandt også ud af, at processen har en sekundær fordel - den afstiver polymerkæderne og hjælper dem med at pakke tættere sammen, gør dem endnu mere varmeledende.

"Polymermolekyler leder varme ved at vibrere, og en stivere molekylkæde kan lettere vibrere, "Sagde Shanker." Tænk på en tæt strakt guitarstreng sammenlignet med et løst snoet stykke garn. Guitarsnoren vil vibrere, når den plukkes, garnet vil ikke. Polymermolekylekæder opfører sig på en lignende måde. "

Pipe siger, at arbejdet kan få vigtige konsekvenser på grund af det store antal polymerapplikationer, hvor temperaturen er vigtig.

"Forskere har længe undersøgt måder at ændre polymerers molekylære struktur for at konstruere deres mekaniske, optiske eller elektroniske egenskaber, men meget få undersøgelser har undersøgt molekylære designmetoder til at konstruere deres termiske egenskaber, "Rør sagde." Mens varmestrømning i materialer ofte er en kompleks proces, selv små forbedringer i polymerernes varmeledningsevne kan have en stor teknologisk indvirkning. "

Teamet ser nu på at lave kompositter, der kombinerer den nye teknik med flere andre varmeafledende strategier for yderligere at øge varmeledningsevnen. De arbejder også på at anvende konceptet på andre typer polymerer ud over dem, der bruges i denne forskning. Et kommercielt produkt er sandsynligvis flere år væk.

"Vi ser på at bruge organiske opløsningsmidler til at anvende denne teknik på ikke-vandopløselige polymerer, "Sagde Li." Men vi mener, at konceptet med at bruge elektrolytter til termisk konstruktion af polymerer er en alsidig idé, der vil gælde på tværs af mange andre materialer. "

Undersøgelsen har titlen "Høj varmeledningsevne i elektrostatisk konstruerede amorfe polymerer."