[论文解读] High thermal conductivity of bulk epoxy resin by bottom-up parallel-linking and strain: a molecular dynamics study

Shouhang Li, Xiaoxiang Yu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2018

Thermal properties of materials被引用 5

一句话总结

本研究提出一种自下而上的并联链接策略，结合单轴拉伸应变，以提升块状环氧树脂的本征热导率。通过分子动力学模拟，该方法在受拉伸的并联链接环氧树脂中实现了创纪录的6.45 Wm⁻¹K⁻¹热导率，较传统非晶态环氧树脂的热导率（约0.3 Wm⁻¹K⁻¹）提升了6.5倍，证明了该方法在开发用于电子器件的高热导率聚合物复合材料方面具有可行性。

ABSTRACT

The ultra-low thermal conductivity (~0.3 Wm-1K-1) of amorphous epoxy resins significantly limits their applications in electronics. Conventional top-down methods e.g. electrospinning usually result in aligned structure for linear polymers thus satisfactory enhancement on thermal conductivity, but they are deficient for epoxy resin polymerized by monomers and curing agent due to completely different cross-linked network structure. Here, we proposed a bottom-up strategy, namely parallel-linking method, to increase the intrinsic thermal conductivity of bulk epoxy resin. Through equilibrium molecular dynamics simulations, we reported on a high thermal conductivity value of parallel-linked epoxy resin (PLER) as 0.80 Wm-1K-1, more than twofold higher than that of amorphous structure. Furthermore, by applying uniaxial tensile strains along the intra-chain direction, a further enhancement in thermal conductivity was obtained, reaching 6.45 Wm-1K-1. Interestingly, we also observed that the inter-chain thermal conductivities decrease with increasing strain. The single chain of epoxy resin was also investigated and, surprisingly, its thermal conductivity was boosted by 30 times through tensile strain, as high as 33.8 Wm-1K-1. Our study may provide a new insight on the design and fabrication of epoxy resins with high thermal conductivity.

研究动机与目标

• 解决非晶态环氧树脂热导率极低（约0.3 Wm⁻¹K⁻¹）的问题，该问题限制了其在电子器件中的应用。
• 开发一种新型自下而上的策略，绕过传统上不适合用于交联环氧网络的自上而下的取向方法。
• 从分子层面研究结构取向与机械应变对环氧树脂中热输运的影响。
• 通过模拟识别出高热导率环氧基材料的设计原则。

提出的方法

• 采用平衡态分子动力学（MD）模拟，对不同环氧树脂结构中的热导率进行建模与分析。
• 设计一种自下而上的并联链接方法，以在环氧树脂中形成更有序、更取向的网络结构，模拟受控聚合过程。
• 沿链内方向施加单轴拉伸应变，以诱导结构重排并增强声子输运。
• 基于原子速度自相关函数，利用Green-Kubo公式计算热导率。
• 在不同应变水平下，比较非晶态环氧树脂、并联链接环氧树脂（PLER）以及受拉伸的PLER系统的热导率。
• 分别分析链内与链间热导率，以理解各向异性输运机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 自下而上的并联链接策略是否能显著提升块状环氧树脂的本征热导率？
• RQ2 单轴拉伸应变对并联链接环氧树脂的热导率有何影响？
• RQ3 在受拉伸的环氧体系中，链内与链间热输运的相对贡献如何？
• RQ4 通过并联链接实现的结构有序化是否能减少声子散射并改善热输运？
• RQ5 在交联环氧网络中，应变诱导的取向是否可使热导率提升至接近晶体材料的水平？

主要发现

• 并联链接环氧树脂（PLER）的热导率达到0.80 Wm⁻¹K⁻¹，超过传统非晶态环氧树脂（0.3 Wm⁻¹K⁻¹）的两倍以上。
• 沿链内方向施加单轴拉伸应变后，PLER的热导率提升至6.45 Wm⁻¹K⁻¹，较原始状态提升6.5倍。
• 在应变作用下，单根环氧链的链内热导率提高了30倍，达到33.8 Wm⁻¹K⁻¹。
• 尽管整体热导率显著提升，但随着应变增加，链间热导率下降，表明交联效率存在权衡。
• 结果表明，通过自下而上的结构设计与应变工程，可显著改善交联聚合物中的热输运性能。
• 本研究揭示，热导率的提升主要源于链内声子输运的改善以及有序网络中声子散射的减少。