幾天前，由佐治亞理工大學研究人員領導的一個研究小組宣布，他們已經通過電解生產出排列整齊的聚合物納米纖維。聚合物納米纖維可作為新型導熱材料，其導熱效率是傳統聚合物的20倍。改進的聚合物納米纖維導熱材料在高達200攝氏度的溫度下仍然具有非常高的可靠性。其中，聚合物材料的分子鍵通常是無序的，這降低了聚合物材料中熱聲子的平均自由程，因此聚合物材料通常具有絕熱特性。
新型聚合物納米纖維導熱材料在掃描電子顯微鏡下的結構表明，生長在金屬板基板上的聚噻吩納米纖維排列成陣列，生長陣列包含固體纖維和中央控制纖維管，其中不同的納米纖維直徑由金屬板基板上的孔的大小決定。
新型聚合物納米纖維導熱材料可用于為服務器電子設備、汽車電子設備、高亮度LED和其他一些移動電子設備提供散熱，因為其導熱性大大提高。新型聚合物納米纖維導熱材料由散熱器、散熱器和其他設備制成，并緊密附著在設備表面，從而可以有效避免其他導熱材料因導熱系數不同而導致的可靠性失效問題。目前，有關該技術的相關文章已發表在《自然納米技術》雜志上。
佐治亞理工學院機械工程助理教授Baratunde Cola作為上述文章的通訊員，文中介紹：“隨著目前設備越來越小，其熱管理方案也越來越復雜。新型聚合物納米纖維導熱材料不僅大大提高了其可靠性，而且在解決上述問題方面具有很強的潛力。這種新型聚合物納米纖導熱材料可能會為我們設計電子產品提供更多選擇電子系統。"
該項目的研究得到了國家科學基金會的支持。其中，參與研究的研究人員由佐治亞理工學院、得克薩斯大學奧斯汀分校和雷神公司的研究人員組成。其中，佐治亞理工學院喬治·W·伍德拉夫學院的機械工程科學家Virendra Singh和伍德拉夫的博士生Thomas Bougher是這篇技術文章的共同第一作者。
盡管通過為聚合物創造規則的晶體結構可以提高非晶聚合物材料的導熱效率，但上述規則的晶體組織需要通過纖維拉伸工藝獲得，并且在生產設備的冷熱工作循環的膨脹和收縮過程中，該結構非常脆弱。
新型聚合物納米纖維導熱材料由共軛聚合物和聚噻吩組成。新型聚合物納米纖維導熱材料可以使聚合物分子鍵有序排列，改善聚合物中熱聲子的平均自由程，并且晶體結構不會脆弱。在室溫下，這種材料的納米纖維的熱導率可以達到4.4 WM–1k–1。對于材料熱導率的大幅提高，研究人員表示，正是因為在電解過程中使用了納米級電極，納米纖維材料的分子鍵方向才沿著纖維軸向統一。
汽車電子的穩定工作溫度最高可達200攝氏度，新型聚合物納米纖維導熱材料在200攝氏度下的導熱性也通過了實驗驗證。由于汽車電子芯片和散熱器是通過焊料焊接的，200攝氏度的溫度已經達到焊料的回流溫度，如果在200攝氏度下不能達到良好的散熱效果，系統中電子設備的可靠性將大大降低。
Baratunde Cola還表示：“普通聚合物通常在低溫下開始降解，因此在此類應用中通常不會考慮它們的設計。但事實上，這種共軛聚合物納米纖維導熱材料已經成功應用于太陽能電池和其他電子設備，也可以用作導熱材料。它是精確的……
由于這種共軛聚合物納米纖維導熱材料比傳統聚合物具有更強的分子鍵合，因此其熱穩定性得到了極大的提高。上述應用是為了充分利用其高熱穩定性和其他特性。"
這種新型聚合物納米纖維導熱材料的晶體結構生長過程是一個多步驟的過程。這一過程首先需要覆蓋有孔隙的氧化鋁電極，還需要含有單體有機前體的電解質（所謂的有機前體是原水中的腐殖質和一些具有乙酰基的低分子量有機化合物）。在兩個電極之間施加電勢之后，兩個電極上的小孔開始吸引單體有機前體以形成中空納米纖維。納米纖維的長度和壁厚由電解電路中的電流和控制生長的時間決定，而納米纖維的直徑由電極上孔隙的大小決定。根據電極上孔隙的直徑，可以獲得直徑為18-300納米的納米纖維。
單體有機前體的分子鍵形成后，納米纖維的形成過程和電聚合過程交叉同步，在獲得預定材料后去除電極。由此獲得的材料結構可以通過毛細管作用或范德華力通過水或其他溶液展開并粘附到電子設備上。
巴拉通德可樂公司也表示：“通過電化學聚合，我們可以使聚合物的分子鍵正則化。兩個電極還可以確保聚合物的分子結合避免結晶和復合，使材料始終保持非晶態。根據晶體的定義，這種新型聚合物納米纖維導熱材料的內部結構屬于非晶態phous態，但其內部結構比真正的非晶態要有序得多。在我們的實驗樣品中，其內部結構被要求達到40%。"
盡管聚合物納米纖維導熱材料的新技術在理論上還不能完全理解，還需要進一步的研究和開發，但Baratunde Cola堅信，這項新技術將在未來得到廣泛應用和商業化。這種全新的聚合物納米纖維導熱材料的應用將使可靠導熱材料的厚度達到3微米，而傳統導熱材料的涂層厚度已達到50-75微米。
目前，隨著電子周期的體積越來越小，功率越來越大，其散熱問題也越來越突出。工程師們一直在努力尋找一種具有高導熱性的新材料。為了提高材料的熱導率，可以通過提高材料的導熱率和增加接觸面積來解決。巴拉通德可樂公司的研發團隊采用了增加接觸面積的方法。其研究發現，在許多導熱性良好的材料中，只有不到1%的材料使用了接觸導熱。Baratunde Cola從中看到了巨大的可能性，因此決定專注于增加導熱材料接觸面積的方法。
對此，Baratunde Cola表示：“因為改善材料本身的特性很復雜，所以我決定放棄提高材料本身的熱導率，并決定研究開發一種能夠有效改善熱接觸面積的材料。”
Baratunde Cola說，在閱讀了一篇介紹壁虎腳應用的文章后，他發現這種叫做壁虎腳的材料可以達到大約80%的接觸面積。因此，它決定專注于能夠改善熱接觸面積的新材料。
新型聚合物納米纖維導熱材料在200攝氏度的高溫下進行了80次熱循環試驗，其導熱系數在試驗過程中沒有顯著變化。盡管這種新材料的工作原理和機理還需要進一步的實驗測試，但Baratunde Cola認為，通過吸附獲得的聚合物材料的強度要比通過粘附獲得的強度強得多。幾天前，由佐治亞理工大學研究人員領導的一個研究小組宣布，他們已經通過電解生產出排列整齊的聚合物納米纖維。聚合物納米纖維可作為新型導熱材料，其導熱效率是傳統聚合物的20倍。改進后……
聚合物納米纖維導熱材料在高達200攝氏度的溫度下仍然具有非常高的可靠性。其中，聚合物材料的分子鍵通常是無序的，這降低了聚合物材料中熱聲子的平均自由程，因此聚合物材料通常具有絕熱特性。
新型聚合物納米纖維導熱材料在掃描電子顯微鏡下的結構表明，生長在金屬板基板上的聚噻吩納米纖維排列成陣列，生長陣列包含固體纖維和中央控制纖維管，其中不同的納米纖維直徑由金屬板基板上的孔的大小決定。
新型聚合物納米纖維導熱材料可用于為服務器電子設備、汽車電子設備、高亮度LED和其他一些移動電子設備提供散熱，因為其導熱性大大提高。新型聚合物納米纖維導熱材料由散熱器、散熱器和其他設備制成，并緊密附著在設備表面，從而可以有效避免其他導熱材料因導熱系數不同而導致的可靠性失效問題。目前，有關該技術的相關文章已發表在《自然納米技術》雜志上。
佐治亞理工學院機械工程助理教授Baratunde Cola作為上述文章的通訊員，文中介紹：“隨著目前設備越來越小，其熱管理方案也越來越復雜。新型聚合物納米纖維導熱材料不僅大大提高了其可靠性，而且在解決上述問題方面具有很強的潛力。這種新型聚合物納米纖導熱材料可能會為我們設計電子產品提供更多選擇電子系統。"
該項目的研究得到了國家科學基金會的支持。其中，參與研究的研究人員由佐治亞理工學院、得克薩斯大學奧斯汀分校和雷神公司的研究人員組成。其中，佐治亞理工學院喬治·W·伍德拉夫學院的機械工程科學家Virendra Singh和伍德拉夫的博士生Thomas Bougher是這篇技術文章的共同第一作者。
盡管通過為聚合物創造規則的晶體結構可以提高非晶聚合物材料的導熱效率，但上述規則的晶體組織需要通過纖維拉伸工藝獲得，并且在生產設備的冷熱工作循環的膨脹和收縮過程中，該結構非常脆弱。
新型聚合物納米纖維導熱材料由共軛聚合物和聚噻吩組成。新型聚合物納米纖維導熱材料可以使聚合物分子鍵有序排列，改善聚合物中熱聲子的平均自由程，并且晶體結構不會脆弱。在室溫下，這種材料的納米纖維的熱導率可以達到4.4 WM–1k–1。對于材料熱導率的大幅提高，研究人員表示，正是因為在電解過程中使用了納米級電極，納米纖維材料的分子鍵方向才沿著纖維軸向統一。
汽車電子的穩定工作溫度最高可達200攝氏度，新型聚合物納米纖維導熱材料在200攝氏度下的導熱性也通過了實驗驗證。由于汽車電子芯片和散熱器是通過焊料焊接的，200攝氏度的溫度已經達到焊料的回流溫度，如果在200攝氏度下不能達到良好的散熱效果，系統中電子設備的可靠性將大大降低。
巴拉通德可樂公司也表示：“普通聚合物通常在低溫下開始降解，因此在此類應用中通常不會考慮它們的設計。但事實上，這種共軛聚合物納米纖維導熱材料已經成功應用于太陽能電池和其他電子設備，也可以用作導熱材料。正是因為這種共軛聚合物納米纖維具有良好的導熱性能導熱材料具有比傳統聚合物更強的分子鍵合性，熱穩定性大大提高。上述應用是為了充分利用其高熱穩定性和其他特性。"
晶體結構生長過程……
這種新型聚合物納米纖維導熱材料是一個多步驟的過程。這一過程首先需要覆蓋有孔隙的氧化鋁電極，還需要含有單體有機前體的電解質（所謂的有機前體是原水中的腐殖質和一些具有乙酰基的低分子量有機化合物）。在兩個電極之間施加電勢之后，兩個電極上的小孔開始吸引單體有機前體以形成中空納米纖維。納米纖維的長度和壁厚由電解電路中的電流和控制生長的時間決定，而納米纖維的直徑由電極上孔隙的大小決定。根據電極上孔隙的直徑，可以獲得直徑為18-300納米的納米纖維。
單體有機前體的分子鍵形成后，納米纖維的形成過程和電聚合過程交叉同步，在獲得預定材料后去除電極。由此獲得的材料結構可以通過毛細管作用或范德華力通過水或其他溶液展開并粘附到電子設備上。
巴拉通德可樂公司也表示：“通過電化學聚合，我們可以使聚合物的分子鍵正則化。兩個電極還可以確保聚合物的分子結合避免結晶和復合，使材料始終保持非晶態。根據晶體的定義，這種新型聚合物納米纖維導熱材料的內部結構屬于非晶態phous態，但其內部結構比真正的非晶態要有序得多。在我們的實驗樣品中，其內部結構被要求達到40%。"
盡管聚合物納米纖維導熱材料的新技術在理論上還不能完全理解，還需要進一步的研究和開發，但Baratunde Cola堅信，這項新技術將在未來得到廣泛應用和商業化。這種全新的聚合物納米纖維導熱材料的應用將使可靠導熱材料的厚度達到3微米，而傳統導熱材料的涂層厚度已達到50-75微米。
目前，隨著電子周期的體積越來越小，功率越來越大，其散熱問題也越來越突出。工程師們一直在努力尋找一種具有高導熱性的新材料。為了提高材料的熱導率，可以通過提高材料的導熱率和增加接觸面積來解決。巴拉通德可樂公司的研發團隊采用了增加接觸面積的方法。其研究發現，在許多導熱性良好的材料中，只有不到1%的材料使用了接觸導熱。Baratunde Cola從中看到了巨大的可能性，因此決定專注于增加導熱材料接觸面積的方法。
對此，Baratunde Cola表示：“因為改善材料本身的特性很復雜，所以我決定放棄提高材料本身的熱導率，并決定研究開發一種能夠有效改善熱接觸面積的材料。”
Baratunde Cola說，在閱讀了一篇介紹壁虎腳應用的文章后，他發現這種叫做壁虎腳的材料可以達到大約80%的接觸面積。因此，它決定專注于能夠改善熱接觸面積的新材料。
新型聚合物納米纖維導熱材料在200攝氏度的高溫下進行了80次熱循環試驗，其導熱系數在試驗過程中沒有顯著變化。盡管這種新材料的工作原理和機理還需要進一步的實驗測試，但Baratunde Cola認為，通過吸附獲得的聚合物材料的強度要比通過粘附獲得的強度強得多。
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