新型導熱塑料：可用於防止電子產品過熱！

知識 04-02

近日，美國麻省理工學院的團隊開發出一種聚合物導熱體，這是一種可以傳導熱量的塑料材料，能夠散熱而不是絕熱。這種新型聚合物既輕量又有柔性，傳導的熱量是大多數商用聚合物的10倍。

背景

塑料，是性能卓越的絕熱體，它可以有效地阻滯熱傳遞，這一優點可以用於咖啡杯隔熱套等產品。但是，筆記本電腦和智能手機的塑料外殼等產品中，這種隔熱特性並不可取，它會導致產品過熱，某種程度上是因為外殼阻滯了這些設備產生的熱量向外擴散。電子產品需要具有很好的散熱性能，過熱會影響其運行性能和使用壽命。

下圖是採用塑料外殼的iPhone 5C產品

（圖片來源：維基百科）

創新

近日，美國麻省理工學院的團隊開發出一種聚合物導熱體，它是一種可以傳導熱量的塑料材料，能夠散熱而不是絕熱。這種新型聚合物既輕量又有柔性，傳導的熱量是大多數商用聚合物的10倍。

（圖片來源：Chelsea Turner/MIT）

麻省理工學院機械功能學院的博士後 Yanfei Xu 表示：「傳統的聚合物既絕緣又絕熱。導電聚合物的發現與發展帶來了柔性顯示器和可穿戴生物感測器等新型電子應用。我們的聚合物可以導熱，並能更高效地驅散熱量。」

Xu 以及博士後、研究生、教員組成的團隊，最近將它們的科研成果發表於《科學進展（Science Advances）》雜誌。團隊成員包括：Xiaoxue Wang （他的貢獻與Xu相等）、 Jiawei Zhou、 Bai Song、 Elizabeth Lee、Samuel Huberman、Zhang Jiang（美國阿貢國家實驗室物理學家）、Karen Gleason（麻省理工學院副教務長，化學工程系教授）、Gang Chen（麻省理工學院機械工程系負責人、電力工程系教授）。

技術

如果你放大觀看一個普通聚合物的顯微結構，不難發現為什麼這種材料這麼容易阻滯熱量傳遞。在微觀水平，聚合物是由單體或者分子單元組成的長鏈，首尾相連。這些鏈通常糾纏在一起，形成一個義大利麵條般的球。載熱子很難通過這種無序混亂的結構，往往陷入纏繞糾結的結構中，難以逃脫。

然而，研究人員已經嘗試將這些自然的絕熱體變為導熱體。對於電子產品來說，聚合物將提供了一種獨特的特性組合，因為它們是輕量、柔性、化學惰性的。聚合物也是絕緣的，也就是說不導電，因此可防止筆記本電腦和手機等設備在用戶使用時發生短路。

近些年來，幾個小組都在設計聚合物導熱體，包括Chen的小組，該小組在2010年發明了一種通過聚乙烯標準樣品創造「超拉伸納米纖維」的方法。這項技術將凌亂無序的聚合物，拉伸成為極細、有序的鏈，就像解開一串纏繞著的節日彩燈。Chen 發現，生成的鏈讓熱量很容易沿著和通過材料快速移動，因此這種聚合物傳導的熱量是普通塑料的300倍。

但是，這種「絕熱體變成的導熱體」（ insulator-turned-conductor）只能沿著每條聚合物鏈的長度，朝著一個方向散熱。熱量無法在聚合物鏈之間傳遞，因為范德華力（這是一種吸引兩個或者更多分子相互靠近的分子間作用力）較弱。Xu 在考慮是否有一種聚合物材料，可以讓熱量朝著各個方向散發。

Xu 將當前的研究構想為一種嘗試，通過同時設計分子內作用力和分子間作用力（她希望這種方法能夠帶來沿著聚合物鏈和聚合物鏈之間的有效熱傳輸），從而設計出具有高導熱性的聚合物材料。

團隊最終生產出一種導熱聚合物聚噻吩（polythiophene），這是一種普遍用於許多電子設備的共軛聚合物。

Xu、Chen 和 Chen的實驗室成員與 Gleason 以及她的實驗室成員，一起合作開發出一種採用氧化化學氣相沉積（oCVD）法生成聚合物導熱體的新方法。在這種方法中，兩種蒸汽被定向到腔體中以及基底上，發生反應並形成薄膜。Xu 表示：「我們的反應能製造出一種剛性的聚合物鏈，而不是普通聚合物中的那種扭曲的、義大利麵條狀態的鏈。」

在這個案例中，Wang 讓氧化劑伴隨著單體（單獨的分子單元，一旦氧化，就會形成為所謂的聚合物鏈）蒸汽流進腔體。

Wang 說：「我們在硅/玻璃基底上生長聚合物，利用CVD技術獨特的自模板生長機制，氧化劑和單體在基底上被吸收並發生反應。」

Xu 表示：「因為這個樣品的廣泛使用，例如在太陽能電池、有機場效應管、有機發光二極體中，如果這種材料可以成為導熱材料，在所有的有機電子器件中起到散熱作用。」

team 團隊在測量每個樣本的導熱性時，採用了時域熱反射法（time-domain thermal reflectance）。在這項技術中，他們向材料上發射激光，加熱其表面，然後隨著熱量擴散到材料中，對材料表面的反射進行測量，從而監測表面溫度的下降。

Zhou 表示：「表面溫度衰退的時域剖面與熱量傳播的速度相關，從中我們能夠計算出導熱係數。」

平均來說，聚合物樣品能夠以約2瓦/(米·開爾文)傳導熱量，比傳統聚合物快10倍。在美國阿貢國家實驗室，Jiang 和Xu 發現聚合物樣品具有近似的各向同性，或者均勻性。這表明材料的特性，例如導熱性，也應該近似一致。因此，團隊預測材料在各個方向上都具有一樣好的導熱性，從而增加了它的散熱潛力。

價值

這項研究的最大價值在於，開發出新型聚合物材料，幫助改善電子產品的散熱性能，防止電子產品過熱，從而使得未來電子產品能夠具有更好的運行表現和更長的壽命。

下圖是一個由於過熱而損壞的晶元