你能想象嗎？在材料科學(xué)領(lǐng)域，一直以來大家都覺得，要做出散熱性能好的聚合物材料，用完美無缺的填充材料才是最佳選擇。但最近，美國馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校牽頭的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，卻發(fā)現(xiàn)了一個(gè)讓人意想不到的事實(shí)，打破了這個(gè)固有觀念。
咱們生活里的各種高科技產(chǎn)品，像高速運(yùn)行的電腦芯片、閃閃發(fā)光的LED燈、時(shí)刻不離手的智能手機(jī)，還有靈活的軟體機(jī)器人，里面都有聚合物的身影。聚合物憑借著重量輕、能絕緣、柔韌性好、加工方便這些優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代科技領(lǐng)域占據(jù)了重要位置?？伤袀€(gè)大麻煩，就是普通聚合物的導(dǎo)熱性能太差，很容易導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱。要是熱量散不出去，設(shè)備里就會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的“熱點(diǎn)”，不僅會(huì)讓設(shè)備性能下降、加快磨損，嚴(yán)重的時(shí)候還可能引發(fā)故障，甚至起火。
為了解決這個(gè)問題，這些年科學(xué)家們想了不少辦法。其中一個(gè)常見的思路，就是往聚合物里添加導(dǎo)熱性能好的填充材料，比如金屬、陶瓷或者碳基材料。按道理來說，加了這些導(dǎo)熱填料，聚合物整體的導(dǎo)熱性能應(yīng)該會(huì)變好。就好比把鉆石加到聚合物里，鉆石的導(dǎo)熱率高達(dá)每米每開爾文2000瓦，要是聚合物里有40%都是鉆石填料，理論上它的導(dǎo)熱率能達(dá)到800瓦每米每開爾文。但在實(shí)際操作中，因?yàn)樘盍先菀拙奂?、有缺陷，聚合物和填料之間接觸電阻大，還有聚合物基體本身導(dǎo)熱率低等問題，根本達(dá)不到預(yù)期效果。
這次，研究團(tuán)隊(duì)為了弄清楚聚合物材料里的熱傳導(dǎo)機(jī)制，以及如何控制不同材料界面間的熱傳遞，他們做了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。研究人員用聚乙烯醇（PVA）制備了兩種聚合物復(fù)合材料，一種加的是完美的石墨填料，另一種加的是有缺陷的氧化石墨填料，而且填料的體積分?jǐn)?shù)都比較低，只有5%。
一開始，他們發(fā)現(xiàn)單獨(dú)來看，完美的石墨填料導(dǎo)熱性能確實(shí)比有缺陷的氧化石墨填料好很多。純凈的石墨導(dǎo)熱率大約是每米每開爾文292.55瓦，而氧化石墨只有每米每開爾文66.29瓦，相差差不多5倍呢?？勺屓梭@訝的是，當(dāng)把這些填料加到聚合物里后，加了有缺陷氧化石墨填料的聚合物，導(dǎo)熱性能比加完美石墨填料的聚合物高出了160%！
這是為什么呢？研究團(tuán)隊(duì)通過熱傳輸測量、中子散射、量子力學(xué)建模和分子動(dòng)力學(xué)模擬等多種實(shí)驗(yàn)和模型研究發(fā)現(xiàn)，原來有缺陷的填料表面不平整，這就使得聚合物鏈條沒辦法像遇到完美光滑填料那樣緊密排列。在聚合物和有缺陷填料的界面處，出現(xiàn)了一種增強(qiáng)的振動(dòng)耦合現(xiàn)象，這種現(xiàn)象能提高導(dǎo)熱率、降低熱阻，讓材料導(dǎo)熱更高效。用北卡羅來納州立大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系副教授劉軍的話來說，“缺陷有時(shí)候就像橋梁，能增強(qiáng)界面間的耦合，讓熱量傳遞得更好?！?/p>
馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校機(jī)械與工業(yè)工程助理教授、這篇研究論文的通訊作者徐燕飛認(rèn)為，這次實(shí)驗(yàn)和理論研究的成果，為研發(fā)超高導(dǎo)熱率的新型聚合物材料打下了基礎(chǔ)。以后，高性能微芯片、下一代軟體機(jī)器人等設(shè)備，有望借助這些新型材料，更好地散熱，運(yùn)行起來溫度更低、效率更高。這項(xiàng)研究是由美國國家科學(xué)基金會(huì)資助的，相關(guān)成果已經(jīng)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。
參考資料：DOI: 10.1126/sciadv.adp6516
熱門跟貼