Polymeermaterialen zijn meestal thermische isolatoren. Maar door gebruik te maken van een elektropolymerisatieproces om uitgelijnde arrays van polymeer nanovezels te produceren, onderzoekers hebben een thermisch interfacemateriaal ontwikkeld dat 20 keer beter warmte kan geleiden dan het originele polymeer. Het gemodificeerde materiaal kan betrouwbaar werken bij temperaturen tot 200 graden Celsius.

Het nieuwe thermische interfacemateriaal kan worden gebruikt om warmte weg te halen van elektronische apparaten in servers, auto's, LED's met hoge helderheid en bepaalde mobiele apparaten. Het materiaal is vervaardigd op koellichamen en warmteverspreiders en hecht goed aan apparaten, waardoor mogelijk de betrouwbaarheidsuitdagingen worden vermeden die worden veroorzaakt door differentiële uitzetting in andere thermisch geleidende materialen.

"Thermische beheerschema's kunnen ingewikkelder worden naarmate apparaten kleiner worden, " zei Baratunde Cola, een assistent-professor aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Een materiaal als dit, die ook een hogere betrouwbaarheid zou kunnen bieden, aantrekkelijk zou kunnen zijn voor het aanpakken van problemen met thermisch beheer. Dit materiaal zou ons uiteindelijk in staat kunnen stellen om elektronische systemen op verschillende manieren te ontwerpen."

Het onderzoek, die werd gesteund door de National Science Foundation, werd 30 maart gemeld in de voortijdige online publicatie van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie . Bij het project waren onderzoekers van het Georgia Institute of Technology betrokken, Universiteit van Texas in Austin, en de Raytheon Company. Virendra Singh, een onderzoeker aan de Woodruff School, en Thomas Boer, een doctoraat student aan de Woodruff School, zijn de co-eerste auteurs van het papier.

Amorfe polymeermaterialen zijn slechte thermische geleiders omdat hun ongeordende toestand de overdracht van warmtegeleidende fononen beperkt. Die overdracht kan worden verbeterd door uitgelijnde kristallijne structuren in de polymeren te creëren, maar die structuren - gevormd door een vezeltrekproces - kunnen het materiaal broos maken en gemakkelijk breken als apparaten uitzetten en samentrekken tijdens verwarmings- en koelcycli.

Het nieuwe interfacemateriaal is gemaakt van een geconjugeerd polymeer, polythiofeen, waarin uitgelijnde polymeerketens in nanovezels de overdracht van fononen vergemakkelijken - maar zonder de broosheid die gepaard gaat met kristallijne structuren, Cola uitgelegd. De vorming van de nanovezels produceert een amorf materiaal met een warmtegeleidingsvermogen tot 4,4 watt per meter Kelvin bij kamertemperatuur.

Het materiaal is getest tot 200 graden Celsius, een temperatuur die het nuttig zou kunnen maken voor toepassingen in voertuigen. Soldeermaterialen zijn gebruikt voor thermische interfaces tussen chips en koellichamen, maar zijn mogelijk niet betrouwbaar wanneer ze in de buurt van hun reflow-temperaturen worden gebruikt.

"Voor deze toepassingen wordt meestal niet aan polymeren gedacht, omdat ze normaal gesproken bij zo'n lage temperatuur worden afgebroken, Cola legde uit. "Maar deze geconjugeerde polymeren worden al gebruikt in zonnecellen en elektronische apparaten, en kan ook werken als thermische materialen. We profiteren van het feit dat ze een hogere thermische stabiliteit hebben omdat de hechting sterker is dan bij typische polymeren."

De structuren worden gekweekt in een meerstapsproces dat begint met een aluminiumoxidesjabloon met kleine poriën bedekt met een elektrolyt dat monomeerprecursoren bevat. Wanneer een elektrische potentiaal wordt toegepast op de sjabloon, elektroden aan de basis van elke porie trekken de monomeren aan en beginnen holle nanovezels te vormen. De hoeveelheid toegepaste stroom en de groeitijd bepalen de lengte van de vezels en de dikte van hun wanden, terwijl de poriegrootte de diameter bepaalt. Vezeldiameters variëren van 18 tot 300 nanometer, afhankelijk van het poriënsjabloon.

Na vorming van de monomeerketens, de nanovezels zijn verknoopt met een elektropolymerisatieproces, en de sjabloon verwijderd. De resulterende structuur kan aan elektronische apparaten worden bevestigd door het aanbrengen van een vloeistof zoals water of een oplosmiddel, die de vezels spreidt en hechting creëert door capillaire werking en van der Waals-krachten.

"Met de benadering van elektrochemische polymerisatieverwerking die we hebben gevolgd, we waren in staat om de ketens van het polymeer op één lijn te brengen, en de sjabloon lijkt te voorkomen dat de kettingen zich tot kristallen vouwen, zodat het materiaal amorf bleef, Cola legde uit. "Hoewel ons materiaal amorf is vanuit een kristallijn standpunt, de polymeerketens zijn sterk uitgelijnd - ongeveer 40 procent in sommige van onze monsters."

Hoewel de techniek nog verder moet worden ontwikkeld en theoretisch niet volledig wordt begrepen, Cola gelooft dat het kan worden opgeschaald voor productie en commercialisering. Het nieuwe materiaal zou betrouwbare thermische interfaces van slechts drie micron mogelijk kunnen maken, vergeleken met wel 50 tot 75 micron met conventionele materialen.

"Er zijn enkele uitdagingen met onze oplossing, maar het proces is inherent schaalbaar op een manier die vergelijkbaar is met galvaniseren, " zei hij. "Dit materiaal staat bekend om zijn andere toepassingen, maar de onze is een ander gebruik."

Ingenieurs hebben gezocht naar een verbeterd thermisch interfacemateriaal dat zou kunnen helpen de warmte van elektronische apparaten te verwijderen. Het probleem van het verwijderen van warmte is verergerd naarmate apparaten zowel kleiner als krachtiger zijn geworden.

In plaats van materialen na te jagen vanwege hun hoge thermische geleidbaarheid, Cola en zijn medewerkers onderzochten materialen die voor meer contact in de interface konden zorgen. Dat komt omdat in sommige van de beste materialen voor thermische interfaces, minder dan één procent van het materiaal maakte daadwerkelijk contact.

"Ik dacht niet meer zoveel na over de thermische geleidbaarheid van de materialen en begon na te denken over welke soorten materialen echt goed contact maken in een interface, Cola zei. Hij besloot polythiofeenmaterialen te gaan gebruiken na het lezen van een paper waarin een "gekkovoet"-toepassing werd beschreven waarin het materiaal naar schatting 80 procent contact opleverde.

Monsters van het materiaal zijn getest tot 200 graden Celsius gedurende 80 thermische cycli zonder enig waarneembaar verschil in prestatie. Hoewel er meer werk nodig zal zijn om het mechanisme te begrijpen, Cola gelooft dat de robuustheid het gevolg is van hechting van het polymeer in plaats van een binding.

"We kunnen contact hebben zonder dat er een blijvende band wordt gevormd, "zei hij. "Het is niet permanent, dus het heeft een ingebouwde stress-accommodatie. Het glijdt mee en laat de stress van het thermische fietsen ontspannen."

Naast de al genoemde, co-auteurs van het artikel waren professor Kenneth Sandhage, Onderzoekswetenschapper Ye Cai, Assistant Professor Asegun Henry and graduate assistant Wei Lv of Georgia Tech; Prof. Li Shi, Annie Weathers, Kedong Bi, Micheal T. Pettes and Sally McMenamin in the Department of Mechanical Engineering at the University of Texas at Austin; and Daniel P. Resler, Todd Gattuso and David Altman of the Raytheon Company.

A patent application has been filed on the material. Cola has formed a startup company, Carbice Nanotechnologies, to commercialize thermal interface technologies. It is a member of Georgia Tech's VentureLab program.