Новая техника, которая может изменить молекулярную структуру пластмассы, чтобы помочь ему отбросить тепло, является многообещающим шагом в том направлении.Развитый командой исследователей Мичиганского университета в материаловедении и машиностроении и подробный в новом исследовании, опубликованном в Научных Достижениях, процесс недорог и масштабируем.Понятие может, вероятно, быть адаптировано ко множеству других пластмасс.
В предварительных тестах это сделало полимер почти так же тепло проводящим как стекло – все еще намного меньше, чем металлы или керамика, но в шесть раз лучше при рассеивании тепла, чем тот же самый полимер без лечения.«Пластмассы заменяют металлы и керамику во многих местах, но они – такие бедные тепловые проводники, что никто даже не рассматривает их для заявлений, которые требуют, чтобы тепло было рассеяно эффективно», сказали Джинсэнг Ким, материаловедение U-M и технический преподаватель. «Мы работаем, чтобы изменить это, применяя тепловую разработку к пластмассам способом, которая не была сделана прежде».Процесс – основное отклонение от предыдущих подходов, которые сосредоточились на добавлении металлических или керамических наполнителей к пластмассам. Это встретилось с ограниченным успехом; большая сумма наполнителей должна быть добавлена, который является дорогим и может изменить свойства пластмассы нежелательными способами.
Вместо этого новая техника использует процесс, который проектирует структуру самого материала.Пластмассы сделаны из длинных цепей молекул, которые плотно намотаны и запутаны как миска спагетти. Как нагревают путешествия через материал, он должен поехать вперед и между этими цепями – трудная, окольная поездка, которая препятствует ее прогрессу.
Команда – который также включает адъюнкт-профессора U-M машиностроения Кевин Пайп, исследователь выпускника машиностроения Чен Ли и материаловедение и технический аспирант Апурв Шэнкер – использовала химический процесс, чтобы расширить и выправить цепи молекулы. Это дало тепловой энергии более прямой маршрут через материал.
Чтобы достигнуть этого, они начали с типичного полимера или пластмассы. Они сначала растворили полимер в воде, затем добавленные электролиты к решению поднять его pH, делая его щелочным.
Отдельные связи в цепи полимера – названный мономерами – берут отрицательный заряд, который заставляет их отражать друг друга. Поскольку они распространяются обособленно, они разворачивают трудные катушки цепи. Наконец, раствор воды и полимера распыляется на пластины, используя общий производственный процесс, названный кастингом вращения, который воссоздает его в твердую пластмассовую пленку.Размотанные цепи молекулы в пластмассе облегчают для тепла перемещаться через него.
Команда также нашла, что процесс обладает вторичным преимуществом – это укрепляет цепи полимера и помогает им упаковать вещи вместе более плотно, делая их еще более тепло проводящими.«Молекулы полимера проводят тепло, вибрируя, и более жесткая цепь молекулы может вибрировать более легко», сказал Шэнкер. «Думайте о плотно протянутой струне гитары по сравнению со свободно намотанной частью бечевки.
Струна гитары будет вибрировать, когда щипнули, бечевка не будет. Цепи молекулы полимера ведут себя похожим способом».Пайп говорит, что у работы могут быть важные последствия из-за большого количества приложений полимера, в которых температура важна.«Исследователи долго изучали способы изменить молекулярную структуру полимеров, чтобы спроектировать их механические, оптические или электронные свойства, но очень немного исследований исследовали молекулярные подходы дизайна, чтобы спроектировать их тепловые свойства», сказал Пайп. «В то время как тепловой поток в материалах часто – сложный процесс, даже маленькие улучшения тепловых проводимостей полимеров могут оказать большое технологическое влияние».
Команда теперь смотрит на создание соединений, которые объединяют новую технику с несколькими другими тепловыми стратегиями рассеивания далее увеличить теплопроводность. Они также работают, чтобы применить понятие к другим типам полимеров вне используемых в этом исследовании.
Коммерческий продукт, вероятно, на расстоянии в несколько лет.«Мы смотрим на использование органических растворителей, чтобы применить эту технику к не – водорастворимые полимеры», сказал Ли. «Но мы полагаем, что понятие использования электролитов, чтобы тепло спроектировать полимеры является универсальной идеей, которая применится через многие другие материалы».