MIT团队研发高热导率共轭聚合物薄膜 是传统聚合物的10倍

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5月14日,记者了解到,国际顶尖期刊Science Advances报道了MIT陈刚院士课题组通过自下而上的氧化化学气相沉积(oCVD),利用沿着聚合物伸长链方向强的C=C共价键和分子链间强的π-π堆叠非共价键相互作用,首次实现了共轭聚合物薄膜(聚(3-己基噻吩))的高热导率。一齐趋于稳定的这某种相互作用实现了2.2 W/m•K的室温热导率,是传统聚合物的10倍。采用该无溶剂的oCVD技术,可不时要在各种基材上生长轻质、柔韧的聚合物薄膜导热体,一齐具有电绝缘性和耐腐蚀性。

聚合物通常是隔热保温的首选材料。该产品有望成为传统金属导热材料的轻质、柔韧和耐腐蚀的替代品。聚乙烯的分子链缠结意味了其固有的绝缘性能,该团队设法解开了聚乙烯的分子链,使得热量在平行的分子链上容易传导,并将其制成了具有纳米底部形态的薄膜,其导热性比大多数传统材料高出有五个 数量级,通过X射线散射观察到构成薄膜的单根纤维内的纳米级底部形态。研究人员正在调整制造工艺和试验不这类型聚合物来制造更好的聚合物导热体的方式,希望你你这个聚合物可不时要应用于新的产业,并代替金属作为热交换器。

聚合物材料几乎渗透到现代技术的各个方面。柔性与轻质的高分子材料是可穿戴传感器、软体机器人和3D打印等先进技术发展的前提。然而,聚合物材料被认为是绝热体,低的热导率(0.2 W/m•K)阻碍了它们在电子设备、能源等领域的应用。当前,金属和陶瓷仍然是主要的热导体。正如本征型导电高分子的发现,在柔性显示、太阳能电池和可穿戴生物传感器等领域发挥着了重要的应用,本征型导热高分子的发展不可能 在下一代电子、光电和能源设备等领域中开辟一系列重要应用。

底部形态的无序和弱的分子间相互作用是意味聚合物材料低热导率的主要因素。当前领域内的研究主要都局限在单一提高聚合物分子内相互作用以提高声子沿着分子链方向的传输传输强度,或单一提高聚合物分子间的相互作用以提高声子在分子链间的传输传输强度。你你这个方式时要特殊的制备过程,料的热率呈现各向异性,在实际应用中难以保证稳定性和可靠性。通过分子工程一齐提高聚合物分子内和分子间的相互作用是提高聚合物的热导率长期的挑战,是实现有效的各向同性热传输性能的关键。

共轭聚合物不可能 具有刚性的共轭主链和强的分子间π-π堆积相互作用,具有发展为热导体的潜能。金刚石(——30000 W/m•K)和拉伸聚乙烯(——104 W/m•K)中的C-C单键是它们具有超高热导率的关键。与C-C单键相比,共轭的C=C双键传输强度几乎是它的两倍,但是有望显著改善聚合物链方向上的声子传输。但是,分子链间的π-π堆积相互作用是范德华力的10-3000倍,可不时要增强声子在聚合物链间的传输。但传统的共轭聚合物表现出和非共轭聚合物这类的低热导率(——0.2 W/m•K)。

研究者认为共轭聚合物分子链的扭曲和纠缠意味的强声子散射是造成低热导率的意味。陈刚团队通过oCVD法在分子水平上调控聚(3-己基噻吩)的合成过程。使用低温的基底吸周边量的氧化剂,过量的氧化剂既可不时要作为聚合物链增长的模板,也可在链增长的过程中对聚合物主链进行极少量的氧化反应,显著稳定链中的醌式底部形态—有五个 包含刚性双键的共轭链段连接有五个 噻吩环,而都有传统的可旋转单键。你你这个醌式底部形态对于获得高的热导率至关重要,不可能 双键和伸长的共轭底部形态保证了分子链的平面构型。你你这个平面构型的分子链不需要 保证其通过π-π相互作用进行多重的有序自组装堆叠。但是,通过oCVD实现了一齐具有刚性共轭骨架和强链间π-π相互作用的聚(3-己基噻吩)的合成,获得了创记录的室温最高热导率。

Yanfei Xu和Xiaoxue Wang博士研究生是该论文的一齐第一作者,Karen K. Gleason和Gang Chen教授是该论文的一齐通讯作者。