[論文レビュー] Nanostructured Polymer Films with Metal-like Thermal Conductivity

Yanfei Xu, Daniel Kraemer+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2017

Thermal properties of materials参考文献 43被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、非晶性相を高度に導電性に設計したナノファイバー構造を形成することで、記録的な熱伝導率62 W/m-Kを達成するポリエチレンフィルムのスケーラブルな製造法を示した。これは一般的なポリマーの600倍以上であり、多くの金属をも上回る。この結果は、ポリマーにおける熱伝導を支配するのは結晶性のみであるという従来の考え方に挑戦するものである。

ABSTRACT

Thermally conductive polymers are of fundamental interest and can also be exploited in thermal management applications. Recent studies have shown stretched polymers can achieve high thermal conductivity. However, the transport mechanisms of heat in thermally conductive polymers have yet to be elucidated. Here we report a method for scalable fabrication of polyethylene films with a high thermal conductivity of 62 W/m-K. The achieved thermal conductivity is over two orders-of-magnitude greater than that of typical polymers (~0.1 W/m-K), and exceeds those of many metals and ceramics used as traditional heat conductors. Careful structural studies are carried out and reveal that the film consists of nanofibers with crystalline and amorphous regions. Contrary to conventional wisdom, we reveal the importance of the amorphous morphology in achieving such high thermal conductivity, rather than simply from enhancements in the degree of crystallinity and crystallite alignment. The amorphous phase reaches a remarkably high thermal conductivity of ~16 W/m-K. Even still, we identify that the presence of this amorphous phase is the dominant factor as the film thermal conductivity is still much lower than the predicted values for bulk single-crystal polyethylene (237 K/m-K). This work lays the foundation for the rational design and synthesis of thermally conductive polymers, and opens up new opportunities for advanced heat management, particularly when flexible, lightweight, chemically inert and electrically insulating thermal conductors are desired.

研究の動機と目的

• 金属に匹敵する性能を示す熱伝導性ポリマー薄膜をスケーラブルに製造する方法の開発。
• 特にナノ構造および相態の分布が熱伝導に与える影響を解明する。
• 高結晶性および結晶粒の整列が熱伝導の向上に主たる要因であるという従来の仮定に疑問を呈する。
• 先進的な熱管理応用に適した、軽量で柔軟性があり、電気絶縁性かつ化学的に不活性な熱伝導体の合理的設計を可能にする。

提案手法

• ポリエチレンフィルムにおける高分子鎖をナノファイバー構造に一方向に整列させるスケーラブルな一方向延伸プロセスを用いた。
• 広角X線回折および差 Differential scanning calorimetry を用いた高度な構造的特徴化技術を用い、結晶相および非晶性相の分布を分析した。
• 3ω法を用いて熱伝導率を測定し、熱伝導性能を定量的に評価した。
• バルク単結晶ポリエチレンの理論的熱伝導率（237 W/m-K）との比較を通じて、構造の効率性を評価した。
• 通常は低熱伝導性を示す非晶性領域が、高熱伝導性ポリマーにおいて果たす寄与を体系的に評価した。
• 構造的および熱的分析を実施し、形態と熱伝導特性の相関関係を特定。非晶性相が主要な寄与要因であることが判明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御された形態制御によって、ナノ構造化ポリマー薄膜が金属に匹敵する熱伝導率を達成できるか？
• RQ2 高配向ポリエチレンフィルムにおける熱伝導に、結晶相と非晶性相のどちらが相対的に大きな寄与をしているか？
• RQ3 実験的に測定された熱伝導率が、バルク単結晶ポリエチレンの理論的予測値（237 W/m-K）に比べて著しく低いのはなぜか？
• RQ4 高分子鎖の整列およびナノ構造がフォノン伝導に与える影響と熱伝導率にどのように関係するか？
• RQ5 従来の理解とは反して、ポリマーの非晶性領域が熱伝導に顕著な寄与を果たす可能性は有るか？

主な発見

• 製造されたポリエチレンフィルムは、熱伝導率62 W/m-Kを達成した。これは一般的なポリマー（約0.1 W/m-K）の2桁以上も高く、多くの金属やセラミックスを上回る。
• ナノ構造化フィルムにおける非晶性相は、驚くべき高い熱伝導率（約16 W/m-K）を示した。これは非晶性領域が本質的に熱伝導性が低いとされる仮定に反する。
• 高い結晶性および整列度にもかかわらず、測定された熱伝導率はバルク単結晶ポリエチレンの理論的最大値（237 W/m-K）に比べて顕著に低く、構造的制限が存在することが示された。
• 非晶性相の存在とその形態が、結晶性や整列度単体よりも熱伝導率の向上において決定的要因であることが特定された。
• ナノ構造化によって、結晶相と非晶性相の両方を設計的に制御することで、ポリマーにおける優れた熱伝導性を実現可能であることが明らかになった。これにより、新たな設計原則が可能となる。
• スケーラブルな製造法により、柔軟で軽量、電気絶縁性かつ化学的に不活性な熱伝導体が実現可能となり、先進的な熱管理システムへの応用が可能となった。