[论文解读] 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 17

一句话总结

本研究通过工程化高度导电的非晶相，构建纳米纤维结构，实现了一种可扩展的聚乙烯薄膜制造方法，其热导率创下62 W/m-K的记录——超过典型聚合物的600倍以上，甚至超过许多金属，从而挑战了传统观点，即仅结晶度决定了聚合物中的热输运。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的方法，用于生产热导率性能可与金属媲美的热导聚合物薄膜。
• 理解高度导热聚合物中热输运机制的内在原理，特别是纳米结构和相形态的作用。
• 挑战传统假设，即高结晶度和晶粒取向是提升热导率的主要因素。
• 实现轻质、柔性、电绝缘且化学惰性的热导体的合理设计，以满足先进热管理应用的需求。

提出的方法

• 采用可扩展的单向拉伸工艺，将聚乙烯薄膜中的聚合物链排列成纳米纤维结构。
• 利用先进的结构表征技术（如广角X射线衍射、差示扫描量热法）分析结晶相与非晶相的分布。
• 采用3ω法测量热导率，以量化热输运性能。
• 将实验结果与体相单晶聚乙烯的理论预测值（237 W/m-K）进行比较，评估结构效率。
• 系统评估非晶区域对整体热导率的贡献，尽管其在聚合物中通常导热性较低。
• 进行结构与热分析，将形貌与热输运性能相关联，识别出非晶相是关键贡献因素。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过受控形貌设计，纳米结构聚合物薄膜能否实现与金属相当的热导率？
• RQ2 在高度取向的聚乙烯薄膜中，结晶相与非晶相对热输运的相对贡献如何？
• RQ3 为何实验测得的热导率显著低于体相单晶聚乙烯的理论预测值？
• RQ4 聚合物链的取向与纳米结构如何影响声子输运与热导率？
• RQ5 非晶区域在聚合物中能否显著贡献热导率，与传统认知相反？

主要发现

• 所制备的聚乙烯薄膜热导率达到62 W/m-K，比典型聚合物（约0.1 W/m-K）高出两个多数量级，甚至超过多种金属和陶瓷。
• 在纳米结构薄膜中，非晶相表现出出人意料的高热导率，约为16 W/m-K，挑战了非晶区域本质上是差热导体的传统假设。
• 尽管结晶度高且取向良好，实测热导率仍显著低于体相单晶聚乙烯的理论最大值（237 W/m-K），表明存在结构限制。
• 非晶相的存在及其形貌被确定为实现高热导率的主导因素，而非仅结晶度或取向。
• 本研究揭示，通过工程化结晶区与非晶区，纳米结构化可显著提升聚合物的热输运性能，从而开启新的设计原理。
• 可扩展的制造方法可实现柔性、轻质、电绝缘且化学惰性的热导体生产，适用于先进热管理系统。