[論文レビュー] Thermal conductivity of polymers and polymer nanocomposites

Congliang Huang, Xin Qian+1 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2018

Thermal properties of materialsMaterials Science参考文献 269被引用数 19

ひとこと要約

本レビューは、鎖構造、ミクロ的形態、鎖間結合を焦点として、高分子および高分子ナノコンポジットにおける熱伝導メカニズムを分子レベルで体系的に分析する。フィラーの整列最適化、界面工学、ナノ構造設計といった戦略が、ナノコンポジットで最大10倍の向上を実現するなど、熱伝導率の向上に寄与する。今後の高機能熱管理材料開発のための研究方向性も提示する。

ABSTRACT

Polymers are widely used in industry and in our daily life because of their diverse functionality, light weight, low cost and excellent chemical stability. However, on some applications such as heat exchangers and electronic packaging, the low thermal conductivity of polymers is one of the major technological barriers. Enhancing the thermal conductivity of polymers is important for these applications and has become a very active research topic over the past two decades. In this review article, we aim to: 1). systematically summarize the molecular level understanding on the thermal transport mechanisms in polymers in terms of polymer morphology, chain structure and inter-chain coupling; 2). highlight the rationales in the recent efforts in enhancing the thermal conductivity of nanostructured polymers and polymer nanocomposites. Finally, we outline the main advances, challenges and outlooks for highly thermal-conductive polymer and polymer nanocomposites.

研究の動機と目的

• 高分子における熱伝導メカニズムを分子レベルで包括的に理解すること。
• 高分子の形態、鎖構造、鎖間結合が熱伝導率に与える影響を分析すること。
• ナノ構造化高分子および高分子ナノコンポジットにおける熱伝導率の向上に関する最近の進展を評価すること。
• 高熱伝導性高分子材料の開発における主な課題と今後の研究方向性を特定すること。

提案手法

• 高分子およびナノコンポジットにおける熱伝導に関する実験的・理論的研究の体系的レビュー。
• 鎖の整列、結晶性、界面フォノン散乱などの分子レベル要因の分析。
• フィラーの分散、機能化、ナノフィラーの整列といったナノ構造化技術の評価。
• フォノン輸送モデルと界面熱抵抗の計算を用いて、実験データを解釈すること。
• さまざまな高分子ナノコンポジット系における熱伝導率の合成と比較。
• 多様な研究からのデータ統合により、性能向上に向けたトレンドと設計原則を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高分子鎖の構造と形態は、フォノン輸送および熱伝導率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 高分子における鎖間結合および界面相互作用は、熱伝導に果たす役割は何か？
• RQ3 高分子ナノコンポジットにおける熱伝導率を向上させるために、最も効果的なナノ構造化戦略は何か？
• RQ4 フィラーの種別、サイズ、形状、整列状態は、ナノコンポジットの熱伝導率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 高分子系材料で高熱伝導率を達成するにあたり、主な制限要因とボトルネックは何か？

主な発見

• 高分子の熱伝導率は鎖の整列と結晶性に強く依存しており、高く整列し、結晶性の高い領域では顕著に高い伝導率を示す。
• 高分子マトリックスとナノフィラー間の界面熱抵抗は、熱伝導の主な障壁であり、特に低フィラー含有率時において顕著である。
• 表面機能化や制御されたフィラー整列といった戦略により、界面抵抗を低減し、熱伝導率を最大10倍まで向上させることができる。
• 整列したカーボンナノチューブおよび窒化硼ナノシートは、最適化されたナノコンポジットで10 W/m·Kを超える熱伝導率を達成する可能性を示している。
• 理論的モデルは、界面および不純物によるフォノン散乱が、無秩序な高分子系における最大達成可能な熱伝導率を制限していることを示唆している。
• 進展は見られるが、高分子の固有のフォノン散乱および低固有熱伝導率のため、金属と同等の熱伝導率を達成することは依然として困難である。