Современные устройства требуют материалов нового поколения – легких, гибких и способных эффективно рассеивать тепло. Однако распространенные полимеры, или пластики, несмотря на их легкость, электроизоляционные свойства и простоту обработки, являются плохими проводниками тепла. Это приводит к перегреву компонентов в высокоскоростных микрочипах, светодиодах, смартфонах и мягких роботах, вызывая снижение производительности, ускоренный износ и даже риск катастрофических отказов или возгораний.
Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте (UMass Amherst) под руководством доцента кафедры машиностроения и промышленной инженерии Яньфэй Сюй сделали неожиданное открытие, опубликованное в журнале Science Advances. Вопреки устоявшимся представлениям, полимерные композиты, созданные с использованием наполнителей, содержащих дефекты, продемонстрировали на 160% лучшую теплопередачу по сравнению с композитами, содержащими идеальные, бездефектные наполнители. Ведущим автором исследования выступил Ицзе Чжоу, аспирант кафедры машиностроения UMass Amherst.
Традиционно для повышения теплопроводности полимеров в них добавляют наполнители с высокой собственной теплопроводностью – металлы, керамику или углеродные материалы. Однако практические результаты часто не оправдывают теоретических ожиданий. Например, полимер с 40% содержанием алмазного наполнителя (теплопроводность алмаза ~2000 Вт/(м·К)) теоретически должен иметь теплопроводность около 800 Вт/(м·К), но реальные значения ниже из-за слипания частиц наполнителя, дефектов структуры композита и высокого контактного сопротивления между полимером и наполнителем. Яньфэй Сюй отмечает: «Понимание теплопереноса в полимерах является сложной задачей из-за их комплексной структуры, дефектов и неупорядоченности».
В исследовании, проведенном совместно с Массачусетским технологическим институтом (MIT), Университетом штата Северная Каролина (NCSU), Стэнфордским университетом, Ок-Риджской национальной лабораторией (ORNL), Аргоннской национальной лабораторией и Университетом Райса, ученые стремились заложить основу для понимания и контроля теплопереноса на границах раздела фаз в полимерных материалах. В качестве полимерной матрицы использовался поливиниловый спирт (ПВС), а в качестве наполнителей – идеальный графит и дефектный оксид графита, каждый при низкой объемной доле в 5%.
Измерения показали, что теплопроводность самого по себе идеального графита составляет ~292,55 Вт/(м·К), что почти в 5 раз выше, чем у дефектного оксида графита (~66,29 Вт/(м·К)). Однако при добавлении этих наполнителей в полимерную матрицу ПВС результат оказался парадоксальным: композит с дефектным оксидом графита показал теплопроводность на 160% выше, чем композит с идеальным графитом.
Для объяснения этого явления команда использовала комбинацию экспериментов и моделирования, включая измерения теплопереноса, нейтронное рассеяние, квантово-механическое моделирование и моделирование молекулярной динамики. Было установлено, что дефектные наполнители обладают неровной поверхностью. Эта неровность мешает полимерным цепям плотно упаковываться у поверхности наполнителя, в отличие от гладких поверхностей идеальных частиц.
Такая структура интерфейса приводит к усилению колебательных связей между полимером и дефектным наполнителем на границе раздела фаз. Это, в свою очередь, повышает общую теплопроводность композита и снижает термическое сопротивление на границе полимер-наполнитель, делая материал более эффективным в передаче тепла. Цзюнь Лю, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической инженерии в Университете штата Северная Каролина, поясняет: «Дефекты могут действовать как,,мостики", усиливая связь через границу раздела для лучшего теплового потока. Несовершенство иногда может приводить к лучшим результатам».
Полученные экспериментальные и теоретические результаты открывают новые перспективы для целенаправленного инжиниринга полимерных материалов со сверхвысокой теплопроводностью. Это может привести к созданию устройств, таких как высокопроизводительные микрочипы и мягкие роботы следующего поколения, которые будут работать более эффективно и надежно благодаря улучшенному отводу тепла.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте (UMass Amherst) под руководством доцента кафедры машиностроения и промышленной инженерии Яньфэй Сюй сделали неожиданное открытие, опубликованное в журнале Science Advances. Вопреки устоявшимся представлениям, полимерные композиты, созданные с использованием наполнителей, содержащих дефекты, продемонстрировали на 160% лучшую теплопередачу по сравнению с композитами, содержащими идеальные, бездефектные наполнители. Ведущим автором исследования выступил Ицзе Чжоу, аспирант кафедры машиностроения UMass Amherst.
Традиционно для повышения теплопроводности полимеров в них добавляют наполнители с высокой собственной теплопроводностью – металлы, керамику или углеродные материалы. Однако практические результаты часто не оправдывают теоретических ожиданий. Например, полимер с 40% содержанием алмазного наполнителя (теплопроводность алмаза ~2000 Вт/(м·К)) теоретически должен иметь теплопроводность около 800 Вт/(м·К), но реальные значения ниже из-за слипания частиц наполнителя, дефектов структуры композита и высокого контактного сопротивления между полимером и наполнителем. Яньфэй Сюй отмечает: «Понимание теплопереноса в полимерах является сложной задачей из-за их комплексной структуры, дефектов и неупорядоченности».
В исследовании, проведенном совместно с Массачусетским технологическим институтом (MIT), Университетом штата Северная Каролина (NCSU), Стэнфордским университетом, Ок-Риджской национальной лабораторией (ORNL), Аргоннской национальной лабораторией и Университетом Райса, ученые стремились заложить основу для понимания и контроля теплопереноса на границах раздела фаз в полимерных материалах. В качестве полимерной матрицы использовался поливиниловый спирт (ПВС), а в качестве наполнителей – идеальный графит и дефектный оксид графита, каждый при низкой объемной доле в 5%.
Измерения показали, что теплопроводность самого по себе идеального графита составляет ~292,55 Вт/(м·К), что почти в 5 раз выше, чем у дефектного оксида графита (~66,29 Вт/(м·К)). Однако при добавлении этих наполнителей в полимерную матрицу ПВС результат оказался парадоксальным: композит с дефектным оксидом графита показал теплопроводность на 160% выше, чем композит с идеальным графитом.
Для объяснения этого явления команда использовала комбинацию экспериментов и моделирования, включая измерения теплопереноса, нейтронное рассеяние, квантово-механическое моделирование и моделирование молекулярной динамики. Было установлено, что дефектные наполнители обладают неровной поверхностью. Эта неровность мешает полимерным цепям плотно упаковываться у поверхности наполнителя, в отличие от гладких поверхностей идеальных частиц.
Такая структура интерфейса приводит к усилению колебательных связей между полимером и дефектным наполнителем на границе раздела фаз. Это, в свою очередь, повышает общую теплопроводность композита и снижает термическое сопротивление на границе полимер-наполнитель, делая материал более эффективным в передаче тепла. Цзюнь Лю, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической инженерии в Университете штата Северная Каролина, поясняет: «Дефекты могут действовать как,,мостики", усиливая связь через границу раздела для лучшего теплового потока. Несовершенство иногда может приводить к лучшим результатам».
Полученные экспериментальные и теоретические результаты открывают новые перспективы для целенаправленного инжиниринга полимерных материалов со сверхвысокой теплопроводностью. Это может привести к созданию устройств, таких как высокопроизводительные микрочипы и мягкие роботы следующего поколения, которые будут работать более эффективно и надежно благодаря улучшенному отводу тепла.
