Polymermaterial är vanligtvis värmeisolatorer. Men genom att utnyttja en elektropolymeriseringsprocess för att producera riktade grupper av polymernanofibrer, forskare har utvecklat ett termiskt gränssnittsmaterial som kan leda värme 20 gånger bättre än den ursprungliga polymeren. Det modifierade materialet kan arbeta pålitligt vid temperaturer upp till 200 grader Celsius.

Det nya termiska gränssnittsmaterialet kan användas för att dra värme bort från elektroniska enheter i servrar, bilar, LED-lampor med hög ljusstyrka och vissa mobila enheter. Materialet är tillverkat på kylflänsar och värmespridare och fäster bra på enheter, potentiellt undvika tillförlitlighetsutmaningarna som orsakas av differentiell expansion i andra värmeledande material.

"Termiska hanteringsscheman kan bli mer komplicerade när enheterna blir mindre, "sa Baratunde Cola, en biträdande professor vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Ett sådant material, vilket också kan erbjuda högre tillförlitlighet, kan vara attraktivt för att hantera problem med termisk hantering. Detta material kan i slutändan tillåta oss att designa elektroniska system på olika sätt. "

Forskningen, som fick stöd av National Science Foundation, rapporterades 30 mars i tidningens tidiga publikation i förväg Naturnanoteknik . Projektet involverade forskare från Georgia Institute of Technology, University of Texas i Austin, och Raytheon Company. Virendra Singh, en forskare vid Woodruff School, och Thomas Bougher, en doktorsexamen elev i Woodruff School, är tidningens första författare.

Amorfa polymermaterial är dåliga värmeledare eftersom deras störda tillstånd begränsar överföringen av värmeledande fononer. Den överföringen kan förbättras genom att skapa anpassade kristallina strukturer i polymererna, men dessa strukturer - bildade genom en fiberritningsprocesser - kan lämna materialet sprött och lätt brytas när enheter expanderar och drar ihop sig under uppvärmnings- och kylcykler.

Det nya gränssnittsmaterialet är tillverkat av en konjugerad polymer, polytiofen, där inriktade polymerkedjor i nanofibrer underlättar överföringen av fononer - men utan sprödheten i samband med kristallina strukturer, Cola förklarade. Bildandet av nanofibrerna ger ett amorft material med värmeledningsförmåga på upp till 4,4 watt per meter Kelvin vid rumstemperatur.

Materialet har testats upp till 200 grader Celsius, en temperatur som kan göra den användbar för applikationer i fordon. Lödmaterial har använts för termiska gränssnitt mellan chips och kylflänsar, men kanske inte är tillförlitliga när de används nära sina återflödestemperaturer.

"Polymerer är vanligtvis inte tänkta för dessa applikationer eftersom de normalt bryts ner vid en så låg temperatur, "Cola förklarade." Men dessa konjugerade polymerer används redan i solceller och elektroniska enheter, och kan också fungera som termiska material. Vi drar nytta av det faktum att de har en högre termisk stabilitet eftersom bindningen är starkare än i typiska polymerer. "

Strukturerna odlas i en flerstegsprocess som börjar med en aluminiumoxidmall som innehåller små porer täckta av en elektrolyt innehållande monomerprekursorer. När en elektrisk potential appliceras på mallen, elektroder vid basen av varje por lockar monomererna och börjar bilda ihåliga nanofibrer. Mängden ström som appliceras och tillväxttiden styr längden på fibrerna och tjockleken på deras väggar, medan porstorleken styr diametern. Fiberdiametrar varierar från 18 till 300 nanometer, beroende på pormallen.

Efter bildandet av monomerkedjorna, nanofibrerna är tvärbundna med en elektropolymeriseringsprocess, och mallen tas bort. Den resulterande strukturen kan fästas på elektroniska enheter genom applicering av en vätska som vatten eller ett lösningsmedel, som sprider fibrerna och skapar vidhäftning genom kapillärverkan och van der Waals krafter.

"Med den metod för behandling av elektrokemisk polymerisation som vi tog, vi kunde anpassa polymerens kedjor, och mallen verkar hindra kedjorna från att vika in i kristaller så att materialet förblev amorft, "Förklarade Cola." Även om vårt material är amorft ur kristallin synvinkel, polymerkedjorna är mycket inriktade - cirka 40 procent i några av våra prover. "

Även om tekniken fortfarande kräver ytterligare utveckling och inte helt förstås teoretiskt, Cola tror att det kan skalas upp för tillverkning och kommersialisering. Det nya materialet kan tillåta pålitliga termiska gränssnitt så tunna som tre mikron - jämfört med så mycket som 50 till 75 mikron med konventionella material.

"Det finns några utmaningar med vår lösning, men processen är i sig skalbar på ett sätt som liknar galvanisering, "sa han." Detta material är känt för sina andra tillämpningar, men vår är en annan användning. "

Ingenjörer har letat efter ett förbättrat termiskt gränssnittsmaterial som kan hjälpa till att ta bort värme från elektroniska enheter. Problemet med att ta bort värme har förvärrats eftersom enheter har blivit både mindre och kraftfullare.

Istället för att driva material på grund av deras höga värmeledningsförmåga, Cola och hans medarbetare undersökte material som kunde ge högre kontaktnivåer i gränssnittet. Det beror på att i några av de bästa termiska gränssnittsmaterialen, mindre än en procent av materialet tog faktiskt kontakt.

"Jag slutade tänka så mycket på materialens värmeledningsförmåga och började tänka på vilka typer av material som får riktigt bra kontakt i ett gränssnitt, "Sa Cola. Han bestämde sig för att fortsätta med polytiofenmaterial efter att ha läst ett papper som beskriver en" geckofot "-applikation där materialet uppskattningsvis gav 80 procent kontakt.

Prover av materialet har testats till 200 grader Celsius genom 80 termiska cykler utan någon påvisbar prestandaskillnad. Även om ytterligare arbete kommer att vara nödvändigt för att förstå mekanismen, Cola tror att robustheten beror på vidhäftning av polymeren snarare än en bindning.

"Vi kan ha kontakt utan att ett permanent band bildas, "sa han." Det är inte permanent, så det har ett inbyggt stressboende. Det glider längs och låter stressen från termisk cykling slappna av. "

Förutom de redan nämnda, medförfattare till uppsatsen inkluderade professor Kenneth Sandhage, Forskare Ye Cai, Biträdande professor Asegun Henry och doktorandassistent Wei Lv från 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.