声子学与热能科学中心在Adv.Mat.上发表有机物热传导综述文章

声子学中心在Advanced Materials期刊上发表有机聚合物及其纳米复合材料热传导研究进展文章

Ⅰ 导读:

在同济大学111周年校庆来临之际,国际材料领域顶级期刊Advanced Materials(先进材料,IF=19.79)于2018年4月25日第30卷第17期为同济大学出版专刊。物理科学与工程学院 声子学与热能科学中心徐象繁研究员、陈杰教授、周俊教授及李保文教授合作撰写了有机聚合物及其纳米复合材料热传导研究最新进展综述文章。

高导热有机聚合物及其相关纳米复合材料作为器件散热及热管理的关键材料,在柔性电极、有机太阳能电池和热界面材料等领域有着广阔的应用空间。然而由于聚合物通常具有较低热导率,使得其应用前景一直存在巨大瓶颈。本文主要总结了近年来在寻找高导热有机聚合物方面的实验进展,重点阐述了有机聚合物热传导机理,讨论了聚合物纳米线和聚合物纳米复合材料研究进展及其机理分析。本文为高导热有机聚合物研究提供了一定的指导方向。

更多细节请查阅:Xiangfan Xu, Jie Chen, Jun Zhou and Baowen Li, Thermal Conductivity of Polymers and Their Nanocomposites, Advanced Materials 30, 1705544 (2018).

文章网站:https://doi.org/10.1002/adma.201705544

过去的半个多世纪里,半导体技术快速发展。高密度集成芯片在智能手机、电脑、飞机和航天科技等领域有着广阔的应用前景,是世界各大国争相攻克的战略高地。目前普遍采用的22纳米晶体管集成电路在厘米大小的芯片上集成了数十亿个晶体管。如此高密度晶体管在工作时产生的高密度热量集聚在狭小的器件空间内,如果不能及时传导出去,必定会在芯片局部产生高温(即通常说的热点),影响芯片正常工作,严重时可导致器件烧毁。因此,解决芯片的散热问题并使器件工作在较低温度已成为科研工作者需要解决的首要问题。

芯片散热主要需要解决两个界面的热传导问题:即热界面Ⅰ和热界面Ⅱ(图1)。由于固体表面在微纳米尺度下存在一定的不平整度,使得热量在热界面Ⅰ和热界面Ⅱ处只能从狭窄的接触点传导,这将使得器件散热能力大幅度降低。解决这一问题,通常需要在热界面Ⅰ和热界面Ⅱ处添加一层厚度为几个微米至几十微米的高热导热界面材料(流体状或塑性材料),以增加总界面热导。然而,通常使用的热界面材料(包括环氧树脂在内的高分子聚合物材料)为热绝缘材料,其热导率只有0.1-0.3 Wm-1K-1左右。因此,为降低热界面材料自身热阻,通常会在聚合物中掺杂高热导纳米颗粒制成纳米复合材料,如金刚石颗粒、纳米碳管或者金属颗粒或金属线,以增加热传导效率。

图1:a高密度集成电路散热示意图;b&c热界面材料示意图(Copyright 物理学进展2018)

然而科学家对于聚合物及其相关纳米复合材料内部热传导机理的认知还十分有限。如何通过理论及基础实验来指导热界面材料的制备和调控是一个重要课题。对其导热机制理解上存在的困难主要有以下几点:(1)高分子聚合物基体材料的导热机制还不是十分清楚;(2)聚合物与填料之间的界面对总热导率起削减作用,甚至可能左右其热传导,但对其具体效应在近几年里没有实质性进展。因此,本文主要介绍聚合物基热界面材料的研究进展,重点介绍其热传导机理的相关理论与实验研究,指出当前研究存在的问题及今后可能的发展方向。

Ⅱ 有机高分子聚合物热传导机理及调控

有机高分子聚合物一直被认为是一种热绝缘材料,其块材或薄膜热导率都在0.1 Wm-1K-1至0.3Wm-1K-1范围内。但是近些年来一些研究结果表明单原子链的有机高分子够实现非常高的热导率。文章介绍了有机高分子热传导理论模型(如最小热导率模型)及分子动力学模拟最新进展,并着重阐述了利用聚合物纳米线分子链定向排序对热导率的调控机理及近年实验发展。

有机高分子聚合物热传输的方式不同于传统晶体材料,它主要是依靠聚合物内部分子链内与链间的分子相互作用来传递能量。高分子聚合物内部的分子链互相交叠嵌套,空间结构极其复杂,这一点使得现存的热传输理论模型已无法解释聚合物的热传输行为,因此目前亟待大量的实验研究结果支撑并建立新的理论模型以阐述高分子聚合物材料的热传输本质。同时,需进一步深入探索低维高分子聚合物热导率的温度依赖关系与尺寸效应。

2 利用分子链有序度调控非晶聚合物纳米纤维热导率(Copyright National Science Review(2018)

Ⅲ 聚合物相关纳米复合材料热传导机理及调控

文章介绍了有效介质理论用于计算聚合物相关纳米复合材料的最新研究进展与理论方法的发展。考虑填充粒子的形状、体积分数对复合材料热输运体系的影响,能够很好的描述当填充粒子尺寸足够大时(大于微米尺寸)复合材料的热输运行为。现阶段的有效介质理论体系多数建立在Maxwell-Garnett(MG) EM的基础之上,充分考虑了填充粒子与被填充材料之间的界面热阻,使得理论结果与实验结果复合的很好。然而缺陷在于填充粒子的体积分数被限制在很低的范围内,这使得高填充体积分数的复合材料热输运性质还不能利用有效介质理论进行分析和解释。在高填充体积分数复合材料中,填料形成团簇乃至形成连通网络。团簇和网络对总热导率的影响尚不明确,因为这涉及到热流逾渗现象。因此本文还着重讨论了而热流的逾渗现象中的重要特征参数,临界体积分数(critical volumetric fraction)的数值计算方法,及最新可能的实验观察证据。

Ⅳ 展望

在材料科学与工程应用领域,聚合物基热界面材料已经有着广阔的实用案例和应用前景,有机高分子材料的合成与应用已取得较好的进展,高分子聚合物(薄膜、纳米纤维)的制备技术已趋于成熟。然而其内在热传输机理仍不清楚,对其研究仍处于起步阶段。目前面临的问题和挑战主要有:

1) 关于低维有机高分子聚合物(薄膜、纳米纤维)热输运调控的实验研究甚少,使得高分子热传输理论模型缺少实验的支撑。有机高分子聚合物内部分子链互相交叠嵌套,使得热传输机制变得极为复杂。所以亟待大量的实验结果用于建立新的理论模型,以阐述高分子聚合物材料的热传输本质。

2) 有机高分子热导率的测量依旧存在瓶颈。虽然近年来激光闪光法以及3法被广泛应用于测量高分子有机材料的热导率,但是该方法均基于一定的理论模型或假设,不可避免会引入很大的测量误差。

3) 目前用于商业用途的聚合物基热界面材料热导率基本在2 Wm-1K-1至8Wm-1K-1之间,尚不足以解决半导体核心器件的散热问题。要彻底解决器件散热问题,则需要研制出热导率在20Wm-1K-1以上,界面总热阻低于0.01 Kcm2/W的热界面材料。

4) 本文提到通常采用在聚合物中添加高热导率填料用于降低总界面热阻。然而,更重要的是,目前还没有很好的方法用于降低聚合物基热界面材料与其它材料如封装外壳或金属散热片之间的界面热阻。近年来,美国数个课题组在DARPA的支持下尝试了多种方法,如纳米金属弹簧、柔性石墨膜或纳米碳管等。虽然实验取得一定进展,但是离实际应用还有相当长的一段距离。

鉴于以上困难与瓶颈,现阶段在基础研究领域对于有机高分子热输运的研究重点可以从三个方面着手:

1.声子hopping机制的理论与热渗流理论的发展。

2.自组装高分子结构的界面热导研究与调控(范德华力结合、共价键结合、离子键结合)。

3.有机高分子链的有序度对其热输运性质的影响。

同时,对聚合物材料热传导机制的研究可为有机热电提供理论指导。我们都知道热电材料的品质因子, 是由Seebeck系数S,电导率σ和热导率κ相互制约共同决定的。所以有效调控材料的热输运,使得材料电导率维持的条件下尽可能的降低其热导率就成为热电材料获得高品质因子的必要途径。

Copyright © 同济大学 版权所有
上海市四平路1239号 021-65983380 同济大学 物理科学与工程学院