導熱材料的研發也一直是各個國家各個研究領域里高度關心的問題，因為導熱材料的作用非常的巨大，如果能提高導熱材料的性能，降低導熱材料的抗熱性，那將會大大的提高導熱材料的工作效率，提高使用度。

 

前段時間，一個由佐治亞理工學院（GeorgiaTech）研究學者領導的研究小組研究宣布，其通過電解過程生產制造出了排列整齊的聚合物納米纖維，該聚合物納米纖維可以用作導熱新材料，其導熱效率比常規聚合物導熱效率提高了20倍，該經過改善的聚合物納米纖維導熱材料在溫度高達200攝氏度時仍具有非常高的可靠性。其中，聚合物材料的分子鍵通常是雜亂無章的，這降低了聚合物材料中導熱聲子的平均自由程，因此聚合物材料一般具有絕熱特性。

 

該全新聚合物納米纖維導熱材料在掃描電子顯微鏡下的結構顯示金屬極板襯底上生長出的聚噻吩納米纖維呈陣列排布，該生長陣列中既包含實心纖維又包含中控纖維管，其中不同的納米纖維直徑是由金屬極板襯底上小孔的大小所決定的

 

該全新聚合物納米纖維導熱材料由于其導熱性能的大幅提升，所以可以用來為服務器電子器件、汽車電子、高亮度LED以及一些其他移動電子設備提供散熱功能。該全新聚合物納米纖維導熱材料由吸熱器（heatsinks）和散熱鐵蓋（heatspreaders）等設備制成，其緊緊貼附設備表面，這樣可以有效避免因為其他導熱材料熱導性不相同而產生的可靠性失效等問題。目前，關于該技術的相關文章已經發表在了《自然納米技術》（NatureNanotechnology）期刊雜志。

 

佐治亞理工學院機械工程助理教授BaratundeCola作為以上文章的通訊作者，其在文章中介紹道：“隨著目前設備的體積越來越小，其熱管理方案也越來越復雜。而該全新聚合物納米纖維導熱材料不僅可靠性得到了大幅提升，而且其還具有解決以上問題的強大潛質。該全新聚合物納米纖維導熱材料最終將很有可能為我們設計電子系統提供更多的選擇余地。”

 

該項目研究獲得了美國國家科學基金會（NationalScienceFoundation）的支持。其中參與研究的人員由來自佐治亞理工學院（GeorgiaInstituteofTechnology）、德克薩斯大學奧斯汀分校（UniversityofTexasatAustin）以及雷神公司（RaytheonCompany）的研究人員組成。其中，來自佐治亞理工學院喬治·W·伍德拉夫學院（GeorgeW.WoodruffSchool）的機械工程科學家VirendraSingh和來自伍德拉夫的博士研究生ThomasBougher是該技術文章的共同第一作者。

 

雖然非晶體聚合物導熱材料的熱傳導效率可以通過為聚合物創建規則的晶體結構來得到改善，但是以上規則的晶體結構需要通過纖維拉絲過程得到，并且該結構在生產設備冷熱工作循環發生膨脹收縮過程中非常脆弱易碎。

 

該全新聚合物納米纖維導熱材料由共軛高分子和聚噻吩組成。該全新聚合物納米纖維導熱材料可以使聚合物分子鍵有序排列提高聚合物內導熱聲子的平均自由程，并且不會出現晶體結構易碎的特征。該材料的納米纖維在室溫情況下其熱導效率可以達到4.4Wm1K1。對于該材料熱導效率的大幅提升研究學者表示，正是由于在電解過程中采用了具有納米級別的電極才使得該納米纖維材料的分子鍵方向統一沿纖維軸向方向。

 

汽車電子穩定工作溫度最高可以達到200攝氏度，而該全新聚合物納米纖維導熱材料在200攝氏度溫度下導熱性能同樣通過了實驗驗證。由于汽車電子芯片與散熱片是采用焊錫焊接的，而200攝氏度的溫度已經達到了焊錫的回流溫度，因此在200攝氏度時如果不能實現良好的散熱效果，那么系統中的電子器件可靠性將大大降低。

 

BaratundeCola還表示：“普通聚合物一般在低溫時便已經開始產生降解作用，所以其通常不會被考慮設計到該類應用中。但是事實上，此共軛聚合物納米纖維導熱材料已經成功應用到了太陽能電池和其他電子設備中，另外還可用于熱導材料等。正是因為此共軛聚合物納米纖維導熱材料比傳統聚合物分子鍵連接更強，所以其熱穩定性才得到了大幅的提升，以上應用就是充分利用其具有較高的熱穩定性等特性。”

 

該全新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過程。該過程首先需要一塊表面覆滿小孔的氧化鋁電極，而且還需要包含有單體有機前質（所謂有機前質就是原水中的腐植質和一些具有乙酰基團的低分子量有機物）的電解質。在兩電極之間添加電勢后，兩電極上小孔位置處開始吸引單體有機前質從而形成中空的納米纖維。電解回路中電流的大小和控制生長的時間決定了納米纖維的長度以及壁厚，而電極上小孔的大小則決定了納米纖維的直徑。根據電極上小孔直徑的大小可以得到直徑為18-300納米直徑的納米纖維。

 

在形成單體有機前質分子鍵后，納米纖維的形成過程與電聚合過程是交*同步進行的，在得到預定的材料后電極即被移除掉。至此得到的物質結構就可以通過水或者其他溶液利用毛細作用或范德華力將其展開并粘附到電子設備上。

 

BaratundeCola還表示：“通過電化學聚合處理方法，我們可以使聚合物分子鍵規整化。而兩電極又可以保證聚合物分子鍵避免出現晶體化重組而使材料始終保持非晶體狀態。如果以晶體的定義來看，此全新聚合物納米纖維導熱材料內部結構組織屬于非晶體狀態，但是其內部結構有序化程度又比真正的非晶體高很多，在我們的實驗樣品中，其內部結構有序化達到了40%。”

 

雖然該全新聚合物納米纖維導熱材料新技術目前理論上還不能完全為人所理解且仍然需要進一步的研究發展，但是BaratundeCola堅信在未來該新技術將得到大范圍的應用并實現商業化發展。該全新聚合物納米纖維導熱材料的應用將使可靠性導熱材料的厚度達到3微米，而之前常規的導熱材料厚度達到了50-75微米。

 

隨著目前電子期間的體積越來越小，功率越來越大，其散熱問題也越來越突出。工程師們一直致力于尋找一種具有高效導熱效率的新材料。為提高材料的導熱效率可以通過提到材料導熱率和提高接觸面積來解決。BaratundeCola研發團隊就采用了提高接觸面積的方法，其研究發現在許多導熱效果很好的材料中只有不到1%的導熱材料用到了接觸導熱，BaratundeCola由此看到了巨大的可能，因此其決定重點研究提高導熱材料接觸面積的方法。

 

對此，BaratundeCola是這樣表示的：“由于提高材料自身特性較為復雜，因此我決定放棄提高材料自身的導熱率，從而決定研究開發一種能夠切實提高導熱接觸面積的材料。”

 

BaratundeCola表示自己是在閱讀了一篇介紹“壁虎腳”（geckofoot）應用的文章后，發現這種名為“壁虎腳”的材料可以達到大約80%的接觸面積。因此，其決定開始著力研究能夠提高導熱接觸面積的新材料。

 

該全新聚合物納米纖維導熱材料試驗樣品在200攝氏度的高溫中進行了80次的熱循環測試，在測試過程中其導熱性能并未出現任何的明顯變化。雖然該新材料工作原理機制需要進一步的實驗測試，但是BaratundeCola相信通過吸附得到的聚合物材料強度要比通過粘合得到的聚合物材料強度強很多。