Neue Studie zeigt, dass Polymere mit fehlerhaften Füllstoffen die Wärmeübertragung in Kunststoffen verbessern
Forschungsteam stellt die herkömmliche Meinung in Frage, dass perfekte Füllstoffe besser für die Herstellung wärmeleitender Polymere sind
Auf der Suche nach der nächsten Generation von Werkstoffen für moderne Geräte, die leicht, flexibel und hervorragend zur Wärmeableitung geeignet sind, hat ein Forscherteam unter der Leitung der University of Massachusetts Amherst eine Entdeckung gemacht: Unvollkommenheit hat ihre Vorteile.
Diese Abbildungen zeigen Polymere (die langen Röhren), die mit perfekten (oben, Graphit) oder unvollkommenen (unten, Graphitoxid) Füllstoffen gefüllt sind.
Yijie Zhou, UMass Amherst
Die in der Zeitschrift Science Advances veröffentlichten Forschungsergebnisse zeigen experimentell und theoretisch, dass Polymere (allgemein als Kunststoffe bezeichnet) mit wärmeleitenden Füllstoffen, die Defekte enthalten, um 160 % besser funktionieren als solche mit perfekten Füllstoffen. Diese kontraintuitive Erkenntnis stellt die lange Zeit vertretene Annahme in Frage, dass Defekte die Leistung von Materialien beeinträchtigen. Stattdessen deutet es auf eine vielversprechende neue Strategie für die Entwicklung von Polymerverbundwerkstoffen mit ultrahoher Wärmeleitfähigkeit hin.
Die Studie wurde von der UMass Amherst in Zusammenarbeit mit Mitarbeitern des Massachusetts Institute of Technology, der North Carolina State University, der Stanford University, des Oak Ridge National Laboratory, des Argonne National Laboratory und der Rice University durchgeführt.
Polymere haben moderne Geräte mit ihrer unübertroffenen Leichtigkeit, elektrischen Isolierung, Flexibilität und einfachen Verarbeitung revolutioniert - Eigenschaften, mit denen Metalle und Keramiken einfach nicht mithalten können. Polymere sind in jeder Ecke unserer technischen Landschaft zu finden, von Hochgeschwindigkeits-Mikrochips und LEDs bis hin zu Smartphones und Soft-Robotern. Herkömmliche Polymere sind jedoch Wärmeisolatoren mit geringer Wärmeleitfähigkeit, was zu Überhitzungsproblemen führen kann. Ihre inhärenten Isolationseigenschaften stauen die Wärme und erzeugen gefährliche Hotspots, die die Leistung beeinträchtigen und den Verschleiß beschleunigen, was das Risiko von katastrophalen Ausfällen und sogar Bränden erhöht.
Seit Jahren versuchen Wissenschaftler, die Wärmeleitfähigkeit von Polymeren zu verbessern, indem sie hoch wärmeleitende Füllstoffe wie Metalle, Keramiken oder Materialien auf Kohlenstoffbasis einarbeiten. Die Logik ist einfach: Die Beimischung von wärmeleitenden Füllstoffen sollte die Gesamtleistung verbessern.
In der Praxis ist es jedoch nicht so einfach. Nehmen wir ein mit Diamanten gemischtes Polymer.
Angesichts der außergewöhnlichen Wärmeleitfähigkeit eines Diamanten von etwa 2.000 Watt pro Meter pro Kelvin (W m-1 K-1) könnte ein Polymer, das zu 40 % aus Diamantfüllstoffen besteht, theoretisch eine Leitfähigkeit von etwa 800 W m-1 K-1 erreichen. Praktische Ergebnisse sind jedoch aufgrund von Problemen wie der Verklumpung von Füllstoffen, Defekten, dem hohen Kontaktwiderstand zwischen Polymeren und Füllstoffen und der geringen Wärmeleitfähigkeit von Polymermatrizen, die die Wärmeübertragung beeinträchtigen, nicht ausreichend.
"Das Verständnis der Mechanismen des Wärmetransports in Polymermaterialien ist seit langem eine Herausforderung, was zum Teil auf die komplizierten Polymerstrukturen, die allgegenwärtigen Defekte und Störungen zurückzuführen ist", sagt Yanfei Xu, UMass Amherst Assistenzprofessor für Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen und korrespondierender Autor der Studie.
Für ihre Studie, die die Grundlage für das Verständnis des Wärmetransports in Polymermaterialien und die Kontrolle der Wärmeübertragung an heterogenen Grenzflächen bilden soll, stellte das Team zwei Polymerkomposite aus Polyvinylalkohol (PVA) her - eines mit perfekten Graphitfüllern und das andere mit defekten Graphitoxidfüllern, jeweils mit einem geringen Volumenanteil von 5 %.
Wie erwartet, waren die perfekten Füllstoffe für sich genommen wärmeleitfähiger als die unvollkommenen.
"Wir haben gemessen, dass perfekte Füllstoffe (Graphit) für sich genommen eine hohe Wärmeleitfähigkeit von etwa 292,55 W m-1 K-1 haben, verglichen mit nur 66,29 W m-1 K-1 für defekte Füllstoffe (Graphitoxid) - ein fast fünffacher Unterschied", sagt Yijie Zhou, Hauptautor und Doktorand des Maschinenbaus an der UMass Amherst.
Überraschenderweise schnitten Polymere mit Graphitoxid-Füllstoffen, die Defekte enthielten, um 160 % besser ab als Polymere mit perfekten Graphit-Füllstoffen, wenn diese Füllstoffe zu den Polymeren hinzugefügt wurden.
Das Team verwendete eine Kombination aus Experimenten und Modellen - Messungen des Wärmetransports, Neutronenstreuung, quantenmechanische Modellierung und Molekulardynamiksimulationen - um zu untersuchen, wie Defekte den Wärmetransport in Polymerkompositen beeinflussen.
Sie fanden heraus, dass defekte Füllstoffe eine effizientere Wärmeübertragung ermöglichen, weil ihre unebenen Oberflächen es den Polymerketten nicht erlauben, sich so dicht zusammenzudrängen, wie es bei vollkommen glatten Füllstoffen der Fall ist. Dieser unerwartete Effekt, der als verstärkte Schwingungskopplung zwischen den Polymeren und den defekten Füllstoffen an den Polymer/Füllstoff-Grenzflächen bekannt ist, erhöht die Wärmeleitfähigkeit und verringert den Widerstand, so dass das Material Wärme effizienter überträgt.
"Defekte wirken manchmal wie Brücken, die die Kopplung an der Grenzfläche verstärken und einen besseren Wärmefluss ermöglichen", sagt Jun Liu, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der North Carolina State University. "In der Tat können Unvollkommenheiten manchmal zu besseren Ergebnissen führen."
Xu ist der Ansicht, dass diese Ergebnisse, sowohl experimentell als auch theoretisch, die Grundlage für die Entwicklung neuer polymerer Materialien mit ultrahoher Wärmeleitfähigkeit bilden. Sie eröffnen neue Möglichkeiten für Geräte - von Hochleistungs-Mikrochips bis zur nächsten Generation von Soft-Robotern -, die durch verbesserte Wärmeableitung kühler und effizienter arbeiten.
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Originalveröffentlichung
Yijie Zhou, Robert Ciarla, Artittaya Boonkird, Saqlain Raza, Thanh Nguyen, Jiawei Zhou, Naresh C. Osti, Eugene Mamontov, Zhang Jiang, Xiaobing Zuo, Jeewan Ranasinghe, Weiguo Hu, Brendan Scott, Jihua Chen, Dale K. Hensley, Shengxi Huang, Jun Liu, Mingda Li, Yanfei Xu; "Defects vibrations engineering for enhancing interfacial thermal transport in polymer composites"; Science Advances, Volume 11
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