MIT團隊發(fā)明超級導熱塑料薄膜,導熱性提升數(shù)百倍后竟可超越金屬

聚合物材料，也就是通常說的塑料，是一種非常棒的熱絕緣體。我們日常生活中的用到的聚苯乙烯（泡沫）一次性餐盒和保溫箱、建筑用的保溫板等產品都是利用了這一特征。

可惜，雖然聚合物材料具有非常優(yōu)秀的輕便、耐用、柔韌和抗腐蝕等特性，但其熱絕緣性卻意味著它們無緣電子、汽車等對散熱和冷卻有著嚴格要求的領域。但正是因此，科學家們一直在研究有什么方法可以提升聚合物的導熱性，更好地利用聚合物替代金屬和陶瓷等傳統(tǒng)散熱材料。

近日，麻省理工學院（MIT）的研究團隊發(fā)明了一種高導熱性的聚乙烯薄膜，其中的纖維由晶態(tài)和非晶態(tài)區(qū)域組成。薄膜整體導熱系數(shù)高達 62?Wm?1 K?1，是普通聚合物導熱性的數(shù)百倍，甚至還超過了常見的金屬和陶瓷（作為對比，鋼的導熱系數(shù)在 17 Wm?1 K?1左右）。成功的在聚合物導熱材料的路上邁出一大步。

相關研究成果發(fā)表于Nature Communications期刊上。

九年前奠定的基石

事實上，該研究成果基于同一團隊 2010 年的另一項研究，當時他們發(fā)明了一種超細聚乙烯（PE）纖維——單根纖維直徑只有頭發(fā)絲的百分之一——有著非常優(yōu)異的導熱性，超過普通聚乙烯纖維 300 倍，吸引了很多計算機處理器制造商和賽車制造商的關注。之后他們就開始嘗試拓展研究成果，將一根根纖維“連成”一張薄膜。

研究團隊領導者之一，麻省理工學院電力工程系主任陳剛教授表示，“事實證明，這是一個非常艱難的過程?！?/p>

圖 | 內部纖維渲染圖：從雜亂無章到排列有序（來源：陳剛）

他們必須要找到一種制造高導熱聚乙烯薄膜的技術，還要設計和制造設備來測試材料的導熱性，再用特殊設備來分析材料的微觀結構，找到它的工作原理，為未來的改良和拓展工作打下基礎。

為了讓研究成果能夠更好地應用，研究人員選擇了常見的商用超高分子聚乙烯粉末，作為制備高導熱性薄膜的原材料。一般來說，聚乙烯等聚合物內部的分子鏈會糾纏在一起，其微觀結構看起來很像纏在一起的意大利面條，使得熱量難以穿過。這也是其擁有絕佳絕緣性能的原因。

有序排列的聚乙烯分子鏈

研究團隊發(fā)現(xiàn)，獲得高熱導率的關鍵在于解開聚乙烯的分子鏈纏結，盡可能地將它們有序排列，讓熱量可以更順暢地傳導。

他們使用了熱十氫化萘溶劑，這是一種常見的工業(yè)溶劑，可以使分子鏈膨脹和解開，然后將聚乙烯粉末溶解在其中，再導入一套特制的泰勒-庫埃特流動系統(tǒng)，通過施加剪切力進一步降低糾纏程度。

為了維持分子鏈的狀態(tài)，研究人員直接將聚乙烯溶液噴灑在液氮冷卻板上，形成一層厚膜。最后他們將厚膜放在卷筒拉絲機上，不斷加熱和拉伸薄膜，使分子鏈可以更自由地移動，并且?guī)椭鼈冄乩旆较驅R，最終達到一種比普通保鮮膜還要薄的狀態(tài)。

圖 | 從聚乙烯粉末，變成厚膜，再變成薄膜（來源：MIT）

制造出聚乙烯薄膜后，研究團隊還建造了一個測試其熱傳導能力的裝置，可以對電加熱功率和溫度等數(shù)據(jù)建模，從而計算在不同拉伸程度下的導熱系數(shù)。

結果顯示，拉伸比為 110 倍時，薄膜的熱導系數(shù)約為 62 Wm?1 K?1，而大多數(shù)普通聚合物的熱導系數(shù)僅有 0.1 - 0.5 Wm?1 K?1左右，性能提高了數(shù)百倍。相比之下，性能優(yōu)異的傳統(tǒng)導熱材料陶瓷的系數(shù)約為 30 Wm?1 K?1，只有新型薄膜的一半。

提高非晶態(tài)區(qū)域的導熱性

為了搞清楚薄膜超高導熱率背后的原理，研究團隊使用了美國阿貢國家實驗室的大型同步加速器——先進光子源（APS）——進行 X 射線散射實驗。APS 的 X 射線可以“照亮”薄膜內部纖維的晶體結構，幫助研究人員看清單根纖維內的納米級細節(jié)。

觀察結果顯示，相比普通聚乙烯薄膜，該薄膜內部的纏結更少，納米纖維排列更加整齊。

令研究人員驚訝的是，這些納米纖維由晶態(tài)和非晶態(tài)區(qū)域組成。過去的研究表明，提高結晶程度是提高熱導性能的關鍵，但這次發(fā)現(xiàn)的非晶態(tài)區(qū)域仍然具有非常高的熱導系數(shù)，約為 16 Wm?1 K?1，遠超預期值。

圖 | 內部結構由“意大利面條狀”（左）變得更加整齊（右）（來源：MIT研究團隊）

研究團隊在分析數(shù)據(jù)后認為，經(jīng)過拉伸之后，非晶態(tài)區(qū)域的分子鏈不再雜亂無章，而是在某種程度上變得更加整齊了，大幅提升了該區(qū)域的熱導性。這也是薄膜整體具有超高熱導率的核心因素，意味著以追求高結晶度為主的熱導研究思路可能需要改變。

不過該聚乙烯薄膜目前仍有局限性，它僅能順著纖維的方向傳導熱量，雖然可以用于電子產品內部，沿著特定方向散熱，但在最理想的狀態(tài)下，薄膜應該具備全方位的散熱能力。

這也是團隊未來的研究方向之一。除此之外，他們還計劃繼續(xù)優(yōu)化制造工藝，探索如何制備熱導能力更強的聚合物，并且嘗試改造不同類型的聚合物，甚至將它們混合在一起，制造出散熱效果更好的復合材料。

就像九年前的高導熱性纖維一樣，這次的研究為以后更具實用價值的成果打下了基礎，同時啟發(fā)了相關領域的其它團隊。相信隨著強導熱性聚合物的出現(xiàn)，其柔韌、輕便和易加工的特性將被進一步挖掘，有望扮演替代金屬和陶瓷等傳統(tǒng)散熱材料的關鍵制角色，最終推動電子元件等領域的制造工藝進步。