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如果先進(jìn)塑料能更好的解決散熱問題，那么它們就可以帶來包括用于汽車、LED和計(jì)算機(jī)這些領(lǐng)域的更輕，更便宜，更節(jié)能的產(chǎn)品組件。一種可以改變塑料分子結(jié)構(gòu)的新技術(shù)正在朝著這個(gè)方向發(fā)展。
由密歇根大學(xué)的材料科學(xué)和機(jī)械工程研究小組開發(fā)的，并發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》中的一項(xiàng)新的研究表明，該過程價(jià)格低廉且可擴(kuò)展性強(qiáng)。
這種設(shè)想可能也適用于各種其他的塑料。經(jīng)過初步測(cè)試，它使一種聚合物作為導(dǎo)熱玻璃，雖然遠(yuǎn)不如金屬或陶瓷的性能，但相比未經(jīng)處理的相同聚合物的散熱性要好六倍。
“在很多應(yīng)用中，塑料正在逐步取代金屬和陶瓷。但它們是不良熱導(dǎo)體，甚至沒有人認(rèn)為它們能應(yīng)用于需要有效散熱的地方。”密歇根大學(xué)材料科學(xué)與工程教授Jinsang King說道，“我們正在嘗試用一種以前沒用過的方法，通過應(yīng)用熱工程塑料去改變它。”
這個(gè)方法與以往在塑料中加入金屬和陶瓷增強(qiáng)材料的方法完全不同。傳統(tǒng)方法只能進(jìn)行有限的開發(fā)，它必須填充大量昂貴的增強(qiáng)材料，用不恰當(dāng)?shù)姆椒ǜ淖兯芰系男阅?。然而，新技術(shù)通過改變材料本身的結(jié)構(gòu)再展開發(fā)展。
塑料由緊密纏繞的長(zhǎng)鏈分子組成，就像一碗纏繞在一起的意大利面一樣。當(dāng)材料變熱時(shí)，熱量的傳導(dǎo)必須在這些鏈條之間行進(jìn)。因?yàn)橛鼗氐穆贸套璧K了傳導(dǎo)的進(jìn)展，讓熱量的傳遞變得麻煩很多。
囊括了密歇根大學(xué)機(jī)械工程系副教授Kevin Pipe及機(jī)械工程研究生陳力和材料科學(xué)與工程研究生Apoorv Shanker的這支團(tuán)隊(duì)，用一種化學(xué)方法去擴(kuò)大并拉直了分子鏈。這種方式給了熱能更直接的路徑通過材料。完成這個(gè)項(xiàng)目后，他們開始研究典型的聚合物或塑料。他們首先在水里溶解了聚合物，然后在溶液中加入電解質(zhì)增強(qiáng)其PH值，使其變?yōu)閴A性。
聚合物鏈中的單個(gè)鏈叫做單體，由于帶負(fù)電荷導(dǎo)致它們互相排斥。當(dāng)單體分開時(shí)，它們展開鏈緊緊纏繞在一起。最終，水和聚合物溶液使用一種普通工業(yè)合成過程中稱為旋轉(zhuǎn)鑄造的方法噴灑在板子上，使其脫水成為固體塑料薄膜。
在塑料內(nèi)沒有纏繞的分子鏈?zhǔn)篃岽┩父菀?。研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了這種方法的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)—強(qiáng)硬的聚合物鏈可以幫助它們更緊的貼在一起，使它們更導(dǎo)熱。
“聚合物分子是通過振動(dòng)傳熱，一個(gè)強(qiáng)硬的分子鏈可以讓它振動(dòng)的更加容易。”Shanker說道。“試想一根緊繃的吉他弦與一根松散纏繞的繩子相比，當(dāng)我們撥動(dòng)弦時(shí)，吉他弦會(huì)振動(dòng)，而繩子不會(huì)。聚合物分子鏈差不多也是這樣。”
Pipe說，這項(xiàng)工作具有非常重要的意義，因?yàn)闇囟仍诖罅烤酆衔飸?yīng)用中是很重要的。
“長(zhǎng)期以來，研究人員一直在研究改變聚合物分子結(jié)構(gòu)的方法，以使聚合物具有機(jī)械、光學(xué)或電子性質(zhì)，但很少有團(tuán)隊(duì)研究分子的結(jié)構(gòu)方式來改變它們的熱性能。”Pipe說道。“而材料中的熱流往往是一個(gè)復(fù)雜的過程，即使聚合物中熱導(dǎo)發(fā)生微小的改變也會(huì)產(chǎn)生很大的技術(shù)影響。”
該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在試著將新技術(shù)與其他幾種散熱方式結(jié)合起來，從而提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。他們還致力于將這一概念應(yīng)用于這項(xiàng)研究以外的其他類型的聚合物。使其成為商業(yè)化產(chǎn)品可能需要好幾年。
“我們正在研究使用有機(jī)溶劑將這種技術(shù)應(yīng)用于非水溶性聚合物。”陳力說。“但我們相信用電解質(zhì)來加熱聚合物的概念是一個(gè)多用途的概念，它將應(yīng)用于許多其他材料。”
