美国高校研发新型汽车降温材料 导热性提升20倍

盖世汽车网 综合报道

日前,一个由佐治亚理工学院(Georgia Tech)研究学者领导的研究小组研究宣布,其通过电解过程生产制造出了排列整齐的聚合物纳米纤维,该聚合物纳米纤维可以用作导热新材料,其导热效率比常规聚合物导热效率提高了20倍,该经过改善的聚合物纳米纤维导热材料在温度高达200摄氏度时仍具有非常高的可靠性。其中,聚合物材料的分子键通常是杂乱无章的,这降低了聚合物材料中导热声子的平均自由程,因此聚合物材料一般具有绝热特性。

该全新聚合物纳米纤维导热材料在扫描电子显微镜下的结构显示金属极板衬底上生长出的聚噻吩纳米纤维呈阵列排布,该生长阵列中既包含实心纤维又包含中控纤维管,其中不同的纳米纤维直径是由金属极板衬底上小孔的大小所决定的

该全新聚合物纳米纤维导热材料由于其导热性能的大幅提升,所以可以用来为服务器电子器件、汽车电子、高亮度LED以及一些其他移动电子设备提供散热功能。该全新聚合物纳米纤维导热材料由吸热器(heat sinks)和散热铁盖(heat spreaders)等设备制成,其紧紧贴附设备表面,这样可以有效避免因为其他导热材料热导性不相同而产生的可靠性失效等问题。目前,关于该技术的相关文章已经发表在了《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)期刊杂志。

佐治亚理工学院机械工程助理教授Baratunde Cola作为以上文章的通讯作者,其在文章中介绍道:“随着目前设备的体积越来越小,其热管理方案也越来越复杂。而该全新聚合物纳米纤维导热材料不仅可靠性得到了大幅提升,而且其还具有解决以上问题的强大潜质。该全新聚合物纳米纤维导热材料最终将很有可能为我们设计电子系统提供更多的选择余地。”

该项目研究获得了美国国家科学基金会(National Science Foundation)的支持。其中参与研究的人员由来自佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)、德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)以及雷神公司(Raytheon Company)的研究人员组成。其中,来自佐治亚理工学院乔治·W·伍德拉夫学院(George W. Woodruff School)的机械工程科学家Virendra Singh和来自伍德拉夫的博士研究生Thomas Bougher是该技术文章的共同第一作者。

虽然非晶体聚合物材料的热传导效率可以通过为聚合物创建规则的晶体结构来得到改善,但是以上规则的晶体结构需要通过纤维拉丝过程得到,并且该结构在生产设备冷热工作循环发生膨胀收缩过程中非常脆弱易碎。

该全新聚合物纳米纤维导热材料由共轭高分子和聚噻吩组成。该全新聚合物纳米纤维导热材料可以使聚合物分子键有序排列提高聚合物内导热声子的平均自由程,并且不会出现晶体结构易碎的特征。该材料的纳米纤维在室温情况下其热导效率可以达到4.4 Wm–1K–1。对于该材料热导效率的大幅提升研究学者表示,正是由于在电解过程中采用了具有纳米级别的电极才使得该纳米纤维材料的分子键方向统一沿纤维轴向方向。

汽车电子稳定工作温度最高可以达到200摄氏度,而该全新聚合物纳米纤维导热材料在200摄氏度温度下导热性能同样通过了实验验证。由于汽车电子芯片与散热片是采用焊锡焊接的,而200摄氏度的温度已经达到了焊锡的回流温度,因此在200摄氏度时如果不能实现良好的散热效果,那么系统中的电子器件可靠性将大大降低。

Baratunde Cola还表示:“普通聚合物一般在低温时便已经开始产生降解作用,所以其通常不会被考虑设计到该类应用中。但是事实上,此共轭聚合物纳米纤维导热材料已经成功应用到了太阳能电池和其他电子设备中,另外还可用于热导材料等。正是因为此共轭聚合物纳米纤维导热材料比传统聚合物分子键连接更强,所以其热稳定性才得到了大幅的提升,以上应用就是充分利用其具有较高的热稳定性等特性。”

该全新聚合物纳米纤维导热材料的晶体结构生长过程是一个多步骤过程。该过程首先需要一块表面覆满小孔的氧化铝电极,而且还需要包含有单体有机前质(所谓有机前质就是原水中的腐植质和一些具有乙酰基团的低分子量有机物)的电解质。在两电极之间添加电势后,两电极上小孔位置处开始吸引单体有机前质从而形成中空的纳米纤维。电解回路中电流的大小和控制生长的时间决定了纳米纤维的长度以及壁厚,而电极上小孔的大小则决定了纳米纤维的直径。根据电极上小孔直径的大小可以得到直径为18-300纳米直径的纳米纤维。

在形成单体有机前质分子键后,纳米纤维的形成过程与电聚合过程是交叉同步进行的,在得到预定的材料后电极即被移除掉。至此得到的物质结构就可以通过水或者其他溶液利用毛细作用或范德华力将其展开并粘附到电子设备上。

Baratunde Cola还表示:“通过电化学聚合处理方法,我们可以使聚合物分子键规整化。而两电极又可以保证聚合物分子键避免出现晶体化重组而使材料始终保持非晶体状态。如果以晶体的定义来看,此全新聚合物纳米纤维导热材料内部结构组织属于非晶体状态,但是其内部结构有序化程度又比真正的非晶体高很多,在我们的实验样品中,其内部结构有序化达到了40%。”

虽然该全新聚合物纳米纤维导热材料新技术目前理论上还不能完全为人所理解且仍然需要进一步的研究发展,但是Baratunde Cola坚信在未来该新技术将得到大范围的应用并实现商业化发展。该全新聚合物纳米纤维导热材料的应用将使可靠性导热材料的厚度达到3微米,而之前常规的导热材料厚度达到了50-75微米。

随着目前电子期间的体积越来越小,功率越来越大,其散热问题也越来越突出。工程师们一直致力于寻找一种具有高效导热效率的新材料。为提高材料的导热效率可以通过提到材料导热率和提高接触面积来解决。Baratunde Cola研发团队就采用了提高接触面积的方法,其研究发现在许多导热效果很好的材料中只有不到1%的导热材料用到了接触导热,Baratunde Cola由此看到了巨大的可能,因此其决定重点研究提高导热材料接触面积的方法。

对此,Baratunde Cola是这样表示的:“由于提高材料自身特性较为复杂,因此我决定放弃提高材料自身的导热率,从而决定研究开发一种能够切实提高导热接触面积的材料。”

Baratunde Cola表示自己是在阅读了一篇介绍“壁虎脚”(gecko foot)应用的文章后,发现这种名为“壁虎脚”的材料可以达到大约80%的接触面积。因此,其决定开始着力研究能够提高导热接触面积的新材料。

该全新聚合物纳米纤维导热材料试验样品在200摄氏度的高温中进行了80次的热循环测试,在测试过程中其导热性能并未出现任何的明显变化。虽然该新材料工作原理机制需要进一步的实验测试,但是Baratunde Cola相信通过吸附得到的聚合物材料强度要比通过粘合得到的聚合物材料强度强很多。

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