I en ny studie designade forskare från Japan flexibla termiska diffusionsfilmer gjorda av cellulosa nanofibermatris och kolfiberfyllmedel med hjälp av vätskefas tredimensionell mönstring. De förberedda filmerna visade stor värmeledningsanisotropi i riktningen i planet, vilket ökade värmeavledning och undviker termisk interferens mellan värmekällor mot elektroniska enheter med tunnfilm. Kredit:Kojiro Uetani från TUS, Japan
De senaste decennierna har sett ett enormt framsteg inom elektronikteknik, med utvecklingen av enheter som är tunnare, lätta, flexibla och robusta. Men när enheterna blir tunnare blir utrymmet för de interna arbetskomponenterna också större. Detta har skapat ett problem med felaktig värmeavledning i tunnfilmsenheter, eftersom konventionella kylflänsmaterial är skrymmande och inte kan integreras i dem. Det finns således ett behov av termiska diffusionsmaterial som är tunna och flexibla och kan implementeras i tunnfilmsanordningar för effektiv värmeavledning.
För närvarande kan flera substratmaterial fungera som värmediffusorer som tunna filmer, men de flesta sprider värme i planriktningen isotropiskt. Detta kan i sin tur skapa termisk interferens med närliggande komponenter i en enhet.
"För ett substrat på vilket flera enheter är monterade i hög densitet är det nödvändigt att kontrollera riktningen för termisk diffusion och hitta en effektiv värmeavlägsnande väg samtidigt som man värmeisolerar mellan enheterna. Utvecklingen av substratfilmer med hög anisotropi i planet värmeledningsförmåga är därför ett viktigt mål", förklarar juniordocent Kojiro Uetani från Tokyo University of Science (TUS) i Japan, som forskar på avancerade material för värmeledningsförmåga och som tidigare tillhörde SANKEN (Institutet för vetenskaplig och industriell forskning). Osaka University.
I en nyligen publicerad studie publicerad i ACS Applied Materials &Interfaces , Dr. Uetani och hans team, bestående av assisterande professor Shota Tsuneyasu från National Institute of Technology, Oita College, och Prof. Toshifumi Satoh från Tokyo Polytechnic University, båda i Japan, rapporterade en nyutvecklad nanokompositfilm gjord av cellulosa nanofibrer och kolfiber- fyllmedel som visade utmärkt anisotropisk värmeledningsförmåga i planet.
Många polymerkompositer med termiskt ledande fyllmedel har föreslagits för att förbättra värmeledningsförmågan. Det finns dock få rapporter om material med partikelformiga eller plattliknande fyllmedel som uppvisar termisk konduktivitetsanisotropi, vilket är viktigt för att förhindra termisk interferens mellan intilliggande enheter. Fibrösa fyllmedel som kolfibrer (CF), å andra sidan, kan ge anisotropi i planet i tvådimensionella material på grund av deras strukturella anisotropi.
Det är också viktigt att välja en matris med hög värmeledningsförmåga. Cellulosananofibrer (CNF) extraherade från ascidians mantel har rapporterats uppvisa högre värmeledningsförmåga (ca 2,5 W/mK) än konventionella polymerer, vilket gör den lämplig för användning som ett värmeavledande material. Som indikeras av förmågan att skriva med en penna på papper, har cellulosa en hög affinitet för kolmaterial och är lätt att kombinera med CF-fyllmedel. Till exempel kan hydrofob CF inte dispergeras i vatten av sig själv, men i närvaro av CNF dispergeras den lätt i vatten. Följaktligen valde teamet biobaserade ascidian-havsspruta-härledda CNF:er som matris.
För materialsyntes förberedde teamet en vattenhaltig suspension av CF:er och CNF:er och använde sedan en teknik som kallas flytande 3D-mönster. Processen resulterade i en nanokomposit bestående av en cellulosamatris med enaxliga kolfibrer. För att testa filmernas värmeledningsförmåga använde teamet laser-punkt periodisk värmestrålningstermometrimetod.
De fann att materialet visade en hög termisk konduktivitetsanisotropi i planet på 433 % tillsammans med en konduktivitet på 7,8 W/mK i den inriktade riktningen och 1,8 W/mK i den ortogonala riktningen i planet. De installerade också en pulverelektroluminiscerande (EL) enhet på en CF/CNF-film för att demonstrera den effektiva värmeavledningen. Dessutom kunde nanokompositfilmen kyla två tätt placerade pseudovärmekällor utan någon termisk interferens.
Förutom de utmärkta termiska egenskaperna är en annan stor fördel med CF/CNF-filmerna deras återvinningsbarhet. Forskarna kunde extrahera CF genom att bränna cellulosamatrisen, så att den kunde återanvändas. Sammantaget kan dessa fynd inte bara fungera som ett ramverk för att designa 2D-filmer med nya värmeavledande mönster utan också uppmuntra hållbarhet i processen. "Det avfall som vi människor genererar har en enorm miljöpåverkan. Speciellt värmeöverföringsfyllmedel är ofta specialiserade och dyra material. Som ett resultat ville vi skapa ett material som inte går till spillo efter användning utan kan återvinnas och återanvänds för ytterligare tillämpningar", avslutar Dr. Uetani. + Utforska vidare
