Nye polymerfilm leder varme i stedet for at fange den

Polymerer er normalt materialet til varmeisolering. Tænk på en silikone ovnhandsker, eller en isopor -kaffekop, begge fremstillet af polymermaterialer, der er fremragende til at fange varme.

Nu har MIT -ingeniører vendt billedet af standardpolymerisolatoren, ved at fremstille tynde polymerfilm, der leder varme - en evne, der normalt er forbundet med metaller. I forsøg, de fandt filmene, som er tyndere end plastfolie, lede varme bedre end mange metaller, herunder stål og keramik.

Holdets resultater, offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , kan anspore udviklingen af ​​polymerisolatorer som lette, fleksibel, og korrosionsbestandige alternativer til traditionelle metal varmeledere, til applikationer lige fra varmeafledende materialer i bærbare computere og mobiltelefoner, til køleelementer i biler og køleskabe.

"Vi synes, at dette resultat er et skridt til at stimulere feltet, "siger Gang Chen, Carl Richard Soderberg Professor i Power Engineering ved MIT, og en senior medforfatter på papiret. "Vores større vision er, disse egenskaber ved polymerer kan skabe nye applikationer og måske nye industrier, og kan erstatte metaller som varmevekslere. "

Chens medforfattere omfatter hovedforfatter Yanfei Xu, sammen med Daniel Kraemer, Bai sang, Jiawei Zhou, James Loomis, Jianjian Wang, Migda Li, Hadi Ghasemi, Xiaopeng Huang, og Xiaobo Li fra MIT, og Zhang Jiang fra Argonne National Laboratory.

I 2010, holdet rapporterede succes med at fremstille tynde fibre af polyethylen, der var 300 gange mere varmeledende end normalt polyethylen, og omtrent lige så ledende som de fleste metaller. Deres resultater, udgivet i Nature Nanotechnology, henledte opmærksomheden fra forskellige industrier, herunder producenter af varmevekslere, computerkerne processorer, og endda racerbiler.

Det blev hurtigt klart, at for at polymerledere kan fungere til nogen af ​​disse applikationer, materialerne skulle skaleres op fra ultratynde fibre (en enkelt fiber målt en hundrededel af diameteren på et menneskehår) til mere håndterbare film.

"På det tidspunkt sagde vi, frem for en enkelt fiber, vi kan prøve at lave et ark, "Chen siger." Det viser sig, at det var en meget besværlig proces. "

Forskerne skulle ikke bare finde på en måde at fremstille varmeledende ark af polymer på, men de måtte også specialfremstille et apparat til at teste materialets varmeledning, samt udvikle computerkoder til analyse af billeder af materialets mikroskopiske strukturer.

Til sidst, teamet var i stand til at fremstille tynde film af ledende polymer, startende med et kommercielt polyethylenpulver. Normalt, den mikroskopiske struktur af polyethylen og de fleste polymerer ligner et spaghetti-lignende virvar af molekylære kæder. Varme har en vanskelig tid ved at strømme gennem dette forvirrede rod, hvilket forklarer en polymers iboende isolerende egenskaber.

Xu og hendes kolleger ledte efter måder at afvikle polyethylens molekylære knuder, at danne parallelle kæder, langs hvilke varme bedre kan lede. At gøre dette, de opløste polyethylenpulver i en opløsning, der fik spiralkæderne til at ekspandere og løsne sig. Et specialbygget flowsystem frigjorde yderligere molekylkæderne, og spyd opløsningen ud på en flydende nitrogen-afkølet plade for at danne en tyk film, som derefter blev placeret på en rull-til-rulle-tegnemaskine, der opvarmede og strakte filmen, indtil den var tyndere end plastfolie.

Holdet byggede derefter et apparat til at teste filmens varmeledning. Mens de fleste polymerer leder varme ved omkring 0,1 til 0,5 watt pr. Meter pr. Kelvin, Xu fandt den nye polyethylenfilm målt omkring 60 watt pr. Meter pr. Kelvin. (Diamant, det bedste varmeledende materiale, kommer omkring 2, 000 watt pr. Meter pr. Kelvin, mens keramik måler omkring 30, og stål, omkring 15.) Som det viser sig, holdets film er to størrelsesordener mere termisk ledende end de fleste polymerer, og også mere ledende end stål og keramik.

For at forstå, hvorfor disse konstruerede polyethylenfilm har så usædvanligt høj varmeledningsevne, teamet gennemførte røntgenstrøingsforsøg ved US Department of Energy's Advanced Photon Source (APS) ved Argonne National Laboratory.

"Disse eksperimenter, på et af verdens mest lyse synkrotronrøntgenfaciliteter, lad os se de nanoskopiske detaljer i de enkelte fibre, der udgør den strakte film, "Siger Jiang.

Ved billeddannelse af de ultratynde film, forskerne observerede, at filmene med bedre varmeledning bestod af nanofibre med mindre tilfældigt oprullede kæder, kontra dem i almindelige polymerer, der ligner sammenfiltret spaghetti. Deres observationer kunne hjælpe forskere med at konstruere polymermikrostrukturer til effektivt at lede varme.

"Dette drømmeværk blev til virkelighed i sidste ende, "Siger Xu.

Fremadrettet, forskerne leder efter måder at lave endnu bedre polymervarmeledere, ved både at justere fremstillingsprocessen og eksperimentere med forskellige typer polymerer.

Zhou påpeger, at holdets polyethylenfilm kun leder varme langs længden af ​​de fibre, der udgør filmen. En sådan ensrettet varmeleder kan være nyttig til at transportere varme væk i en bestemt retning, indvendige enheder såsom bærbare computere og anden elektronik. Men ideelt set, han siger, at filmen burde sprede varme mere effektivt i enhver retning.

"Hvis vi har en isotrop polymer med god varmeledningsevne, så kan vi let blande dette materiale til en komposit, og vi kan potentielt erstatte en masse ledende materialer, "Siger Zhou." Så vi ser på bedre varmeledning i alle tre dimensioner. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.