Science
Ekipa pod vodstvom UMass Amherst izpodbija splošno sprejeto mnenje, da so popolna polnila boljša za izdelavo toplotno prevodnih polimerov.
V prizadevanjih za oblikovanje naslednje generacije materialov za sodobne naprave – lahkih, prožnih in odličnih za odvajanje toplote – je skupina raziskovalcev pod vodstvom Univerze Massachusetts Amherst naredila odkritje: nepopolnost ima svoje prednosti.
Ta raziskava, objavljena v reviji Science Advances [1], je eksperimentalno in teoretično ugotovila, da so polimeri (pogosto imenovani plastika), izdelani s toplotno prevodnimi polnili, ki vsebujejo napake, dosegli za 160 % boljše rezultate kot tisti z brezhibnimi polnili. Ta neintuitivna ugotovitev izpodbija dolgo časa veljavna prepričanja, da napake zmanjšujejo zmogljivost materiala. Namesto tega kaže na obetavno novo strategijo za inženiring polimernih kompozitov z izjemno visoko toplotno prevodnostjo.
Študijo je vodila univerza UMass Amherst v sodelovanju z Massachusetts Institute of Technology, North Carolina State University, Stanford University, Oak Ridge National Laboratory, Argonne National Laboratory in Rice University.
Polimeri so s svojo neprimerljivo lahkostjo, električno izolacijo, prožnostjo in enostavnostjo obdelave – lastnostmi, s katerimi se kovine in keramika preprosto ne morejo kosati – revolucionirali sodobne naprave. Polimeri so vgrajeni v vsak kotiček naše tehnološke pokrajine, od zelo hitrih mikročipov in LED-ic do pametnih telefonov in mehke robotike. Vendar so običajni polimeri toplotni izolatorji z nizko toplotno prevodnostjo, kar lahko vodi do pregrevanja. Njihove izolacijske lastnosti zadržujejo toploto, kar povzroča nevarne vroče točke, ki zmanjšujejo zmogljivost in pospešujejo obrabo, s čimer se poveča tveganje za katastrofalne okvare in celo požare.
Že leta znanstveniki poskušajo izboljšati toplotno prevodnost polimerov z vključevanjem visoko toplotno prevodnih polnil, kot so kovine, keramika ali materiali na osnovi ogljika. Logika je preprosta: vmešavanje toplotno prevodnih polnil naj bi izboljšalo splošno učinkovitost.
Vendar pa v praksi ni tako preprosto. Vzemimo za primer polimer, ki je mešan z diamanti.
Glede na izjemno toplotno prevodnost diamanta, ki znaša približno 2000 vatov na meter na kelvin (W m-1 K-1), bi polimer, ki je sestavljen iz 40 % diamantnega polnila, teoretično lahko dosegel prevodnost okoli 800 W m-1 K-1. Vendar pa so praktični rezultati zaostali zaradi izzivov, kot so strjevanje polnila, napake, visoka kontaktna upornost med polimeri in polnili ter nizka toplotna prevodnost polimernih matric, ki ovirajo prenos toplote.
„Razumevanje mehanizmov toplotnega prenosa v polimernih materialih je že dolgo izziv, deloma zaradi zapletenih polimernih struktur, vsesplošnih napak in nepravilnosti,“ pravi Yanfei Xu, docent za strojništvo in industrijsko inženirstvo na Univerzi Massachusetts Amherst in soavtorica članka.
Za svojo študijo, katere cilj je bil postaviti temelje za razumevanje toplotnega prenosa v polimernih materialih in nadzorovanja prenosa toplote prek heterogenih vmesnikov, je ekipa ustvarila dva polimerna kompozita iz polivinil alkohola (PVA) – enega z vgrajenimi popolnimi grafitnimi polnili in drugega z vgrajenimi pomanjkljivimi grafitnimi oksidnimi polnili, oba z nizkim 5-odstotnim volumskim deležem.
Kot je bilo pričakovano, so bili popolni polnilni materiali sami po sebi bolj toplotno prevodni kot nepopolni.
„Merili smo, da imajo popolna polnila (grafit) sama po sebi visoko toplotno prevodnost, približno 292,55 W m-1 K-1, v primerjavi z le 66,29 W m-1 K-1 za nepopolna polnila (grafitni oksid) sama po sebi – skoraj petkratna razlika,“ pravi Yijie Zhou, glavni avtor in diplomant strojništva na UMass Amherst.
Presenetljivo pa je, da so polimeri, v katere so bili dodani polnilni materiali, izdelani z grafitnimi oksidnimi polnilnimi materiali, ki vsebujejo napake, dosegli za 160 % boljše rezultate kot tisti z brezhibnimi grafitnimi polnilnimi materiali.
Ekipa je uporabila kombinacijo eksperimentov in modelov – merjenje toplotnega prenosa, razprševanje nevtronov, kvantno-mehansko modeliranje in simulacije molekularne dinamike –, da bi ugotovila, kako napake vplivajo na toplotni prenos v polimernih kompozitih.
Ugotovili so, da okvarjena polnila omogočajo učinkovitejši prenos toplote, ker njihove neenakomerne površine ne omogočajo, da se polimerne verige stisnejo tako tesno kot pri popolnoma gladkih polnilih. Ta nepričakovan učinek, znan kot okrepljeno vibracijsko sklopljenje med polimeri in okvarjenimi polnili na stičnih površinah polimerov in polnil, poveča toplotno prevodnost in zmanjša upor, zaradi česar je material učinkovitejši pri prenosu toplote.
„Pomanjkljivosti včasih delujejo kot mostovi, ki izboljšujejo povezavo na stiku in omogočajo boljši pretok toplote,“ pravi Jun Liu, izredni profesor na Oddelku za strojništvo in letalsko inženirstvo na Univerzi Severne Karoline. „Dejansko lahko nepopolnosti včasih vodijo do boljših rezultatov.“
Xu verjame, da ti rezultati, tako eksperimentalni kot teoretični, predstavljajo temelj za razvoj novih polimernih materialov z izjemno visoko toplotno prevodnostjo. Ti napredni materiali ponujajo nove možnosti za naprave – od visoko zmogljivih mikročipov do mehke robotike naslednje generacije –, ki bodo delovale hladneje in učinkoviteje zaradi izboljšanega odvajanja toplote.
