Varmeledende polymer afkøler varme elektroniske enheder ved 200 grader Celsius

Polymermaterialer er normalt termiske isolatorer. Men ved at udnytte en elektropolymeriseringsproces til at producere justerede arrays af polymer -nanofibre, forskere har udviklet et termisk grænseflademateriale, der er i stand til at lede varme 20 gange bedre end den originale polymer. Det modificerede materiale kan fungere pålideligt ved temperaturer på op til 200 grader Celsius.

Det nye termiske grænseflademateriale kan bruges til at trække varme væk fra elektroniske enheder i servere, biler, LED'er med høj lysstyrke og visse mobile enheder. Materialet er fremstillet på kølelegemer og varmespredere og klæber godt til enheder, potentielt undgå de pålidelighedsudfordringer, der skyldes differentiel ekspansion i andre varmeledende materialer.

"Termiske styringsordninger kan blive mere komplicerede, efterhånden som enheder bliver mindre, "sagde Baratunde Cola, en adjunkt i George W. Woodruff School of Mechanical Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Et materiale som dette, hvilket også kunne tilbyde højere pålidelighed, kunne være attraktiv til at løse problemer med termisk styring. Dette materiale kan i sidste ende give os mulighed for at designe elektroniske systemer på forskellige måder. "

Forskningen, som blev støttet af National Science Foundation, blev rapporteret den 30. marts i den forudgående onlinepublikation af tidsskriftet Naturnanoteknologi . Projektet involverede forskere fra Georgia Institute of Technology, University of Texas i Austin, og Raytheon Company. Virendra Singh, forsker ved Woodruff School, og Thomas Bougher, en ph.d. elev på Woodruff School, er papirets co-first forfattere.

Amorfe polymermaterialer er dårlige termiske ledere, fordi deres uordnede tilstand begrænser overførslen af ​​varmeledende fononer. Denne overførsel kan forbedres ved at skabe justerede krystallinske strukturer i polymererne, men disse strukturer - dannet gennem en fibertegningsprocesser - kan efterlade materialet sprødt og let brudt, når enheder udvider sig og trækker sig sammen under opvarmnings- og køle -cykler.

Det nye grænseflademateriale er fremstillet af en konjugeret polymer, polythiophen, hvor justerede polymerkæder i nanofibre letter overførslen af ​​fononer - men uden den sprødhed, der er forbundet med krystallinske strukturer, Forklarede Cola. Dannelse af nanofibrene producerer et amorft materiale med varmeledningsevne på op til 4,4 watt pr. Meter Kelvin ved stuetemperatur.

Materialet er testet op til 200 grader Celsius, en temperatur, der kunne gøre den nyttig til applikationer i køretøjer. Loddematerialer er blevet brugt til termiske grænseflader mellem chips og kølelegemer, men er muligvis ikke pålidelig, når den bruges tæt på deres tilbagestrømningstemperaturer.

"Polymerer tænkes typisk ikke til disse applikationer, fordi de normalt nedbrydes ved så lav temperatur, "Forklarede Cola." Men disse konjugerede polymerer bruges allerede i solceller og elektroniske enheder, og kan også fungere som termiske materialer. Vi drager fordel af, at de har en højere termisk stabilitet, fordi bindingen er stærkere end i typiske polymerer. "

Strukturerne dyrkes i en flertrinsproces, der begynder med en aluminiumoxidskabelon, der indeholder små porer dækket af en elektrolyt indeholdende monomerforstadier. Når et elektrisk potentiale anvendes på skabelonen, elektroder ved bunden af ​​hver pore tiltrækker monomerer og begynder at danne hule nanofibre. Mængden af ​​påført strøm og væksttiden styrer længden af ​​fibrene og tykkelsen af ​​deres vægge, mens porestørrelsen styrer diameteren. Fiberdiametre varierer fra 18 til 300 nanometer, afhængig af poreskabelonen.

Efter dannelsen af ​​monomerkæderne, nanofibrene er tværbundet med en elektropolymeriseringsproces, og skabelonen blev fjernet. Den resulterende struktur kan fastgøres til elektroniske enheder ved påføring af en væske, såsom vand eller et opløsningsmiddel, som spreder fibrene og skaber vedhæftning gennem kapillærvirkning og van der Waals kræfter.

"Med den fremgangsmåde til behandling af elektrokemisk polymerisering, vi tog, vi var i stand til at justere polymerens kæder, og skabelonen ser ud til at forhindre kæderne i at folde sig ind i krystaller, så materialet forblev amorft, "Forklarede Cola." Selvom vores materiale er amorft fra et krystallinsk synspunkt, polymerkæderne er meget på linje - omkring 40 procent i nogle af vores prøver. "

Selvom teknikken stadig kræver yderligere udvikling og ikke er fuldt ud forstået teoretisk, Cola mener, at det kan skaleres op til fremstilling og kommercialisering. Det nye materiale kunne tillade pålidelige termiske grænseflader så tynde som tre mikron - sammenlignet med så meget som 50 til 75 mikron med konventionelle materialer.

”Der er nogle udfordringer med vores løsning, men processen er i sig selv skalerbar på en måde, der ligner galvanisering, "sagde han." Dette materiale er kendt for sine andre anvendelser, men vores er en anden anvendelse. "

Ingeniører har ledt efter et forbedret termisk grænseflademateriale, der kan hjælpe med at fjerne varme fra elektroniske enheder. Problemet med at fjerne varme er blevet forværret, da enheder er blevet både mindre og mere kraftfulde.

I stedet for at forfølge materialer på grund af deres høje varmeledningsevne, Cola og hans samarbejdspartnere undersøgte materialer, der kunne give højere kontaktniveauer i grænsefladen. Det skyldes, at i nogle af de bedste termiske grænsefladematerialer, mindre end en procent af materialet var faktisk i kontakt.

"Jeg stoppede med at tænke så meget på materialernes termiske ledningsevne og begyndte at tænke på, hvilke slags materialer der får en rigtig god kontakt i et interface, "Sagde Cola. Han besluttede at forfølge polythiophenmaterialer efter at have læst et papir, der beskrev en" gekko -fod "-applikation, hvor materialet skønnede 80 procent kontakt.

Prøver af materialet er blevet testet til 200 grader Celsius gennem 80 termiske cyklusser uden nogen påviselig forskel i ydelse. Selvom yderligere arbejde vil være nødvendigt for at forstå mekanismen, Cola mener, at robustheden skyldes vedhæftning af polymeren frem for en binding.

"Vi kan have kontakt uden at der dannes en permanent binding, "sagde han." Det er ikke permanent, så det har en indbygget stress-indkvartering. Det glider langs og lader stresset fra termisk cykling slappe af. "

Ud over de allerede nævnte, co-authors of the paper included Professor Kenneth Sandhage, Research Scientist Ye Cai, Assistant Professor Asegun Henry and graduate assistant Wei Lv of Georgia Tech; Prof. Li Shi, Annie Weathers, Kedong Bi, Micheal T. Pettes and Sally McMenamin in the Department of Mechanical Engineering at the University of Texas at Austin; and Daniel P. Resler, Todd Gattuso and David Altman of the Raytheon Company.

A patent application has been filed on the material. Cola has formed a startup company, Carbice Nanotechnologies, to commercialize thermal interface technologies. It is a member of Georgia Tech's VentureLab program.