Dans la quête de conception de la prochaine génération de matériaux pour les appareils modernes – des ondes légères, flexibles et excellentes pour dissiper la chaleur – une équipe de chercheurs dirigée par l'Université du Massachusetts Amherst a fait une découverte: l'imperfection a ses avantages.
Cette recherche, publiée dans Avancées scientifiquesexpérimentalement et théoriquement constaté que les polymères (communément appelés plastiques) fabriqués avec des charges conductrices thermiquement contenant des défauts effectuées 160% mieux que celles avec des charges parfaites. Cette conclusion contre-intuitive remet en question les hypothèses de longue date selon lesquelles les défauts compromettent les performances matérielles. Au lieu de cela, il pointe vers une nouvelle stratégie prometteuse pour les composites de polymère d'ingénierie avec une conductivité thermique ultra-haute.
L'étude a été dirigée par UMass Amherst avec des collaborateurs du Massachusetts Institute of Technology, de la North Carolina State University, de l'Université de Stanford, du Oak Ridge National Laboratory, Argonne National Laboratory et Rice University.
Les polymères ont révolutionné les dispositifs modernes avec leur légèreté inégalée, leur isolation électrique, leur flexibilité et leur facilité de traitement – les métaux et les céramiques ne peuvent tout simplement pas rivaliser. Les polymères sont intégrés dans tous les coins de notre paysage technologique, des micropuces à grande vitesse et des LED vers les smartphones et la robotique douce.
Cependant, les polymères communs sont des isolants thermiques à faible conductivité thermique, ce qui peut entraîner des problèmes de surchauffe. Leurs propriétés isolantes inhérentes emprisonnent la chaleur, engendrant des points chauds dangereux qui sève les performances et accélèrent l'usure, augmentant le risque d'échecs catastrophiques et même d'incendie.
Pendant des années, les scientifiques ont tenté d'améliorer la conductivité thermique des polymères en incorporant des charges hautement thermiquement conductrices telles que les métaux, la céramique ou les matériaux à base de carbone. La logique est simple: le mélange dans les charges thermiquement conductrices devrait améliorer les performances globales.
Cependant, dans la pratique, ce n'est pas aussi simple. Considérez un polymère mélangé à des diamants.
Étant donné une conductivité thermique exceptionnelle d'un diamant d'environ 2 000 watts par mètre par Kelvin (W M-1 K-1), un polymère composé de 40% de remplissage de diamant pourrait théoriquement atteindre une conductivité d'environ 800 W m-1 K-1. Pourtant, les résultats pratiques ont échoué en raison de défis tels que l'agrément de remplissage, des défauts, une résistance à un contact élevé entre les polymères et les charges, et une faible conductivité thermique des matrices de polymère, qui sapent le transfert de chaleur.
« Comprendre les mécanismes de transport thermique dans les matériaux polymères a été un défi de longue date, en partie en raison des structures polymères complexes, des défauts omniprésents et des troubles », explique Yanfei Xu, professeur adjoint de génie mécanique et industriel de l'UMass Amherst et auteur correspondant de l'article.
Pour leur étude, visant à poser les bases de la compréhension du transport thermique dans les matériaux polymères et à contrôler le transfert de chaleur à travers des interfaces hétérogènes, l'équipe a créé deux composites polymères d'alcool polyvinylique (PVA) – l'un incorporant des rempliers de graphite parfaits et l'autre en utilisant des charges d'oxyde de graphite défectueuses, chacune à une fraction de volume à 5% à 5%.
Comme prévu, les charges parfaites étaient en elles-mêmes plus thermiquement conductrices que celles imparfaites.
« Nous avons mesuré des charges parfaites (graphite) à elles seules ont une conductivité thermique élevée d'environ 292,55 W m-1 K-1 par rapport à seulement 66,29 w m-1 K-1 Pour les défectueux (oxyde de graphite) par eux-mêmes – une différence près de quintuple « , explique Yijie Zhou, l'auteur principal et étudiant diplômé en génie mécanique à UMass Amherst.
Cependant, étonnamment, lorsque ces charges sont ajoutées dans des polymères, des polymères fabriqués avec des charges d'oxyde de graphite contenant des défauts effectuées 160% mieux que celles avec des charges de graphite parfaites.
L'équipe a utilisé une combinaison d'expériences et de modèles – mesures de transport thermique, diffusion des neutrons, modélisation mécanique quantique et simulations de dynamique moléculaire – pour étudier comment les défauts influencent le transport thermique dans les composites de polymère.
Ils ont constaté que les charges défectueuses facilitent le transfert de chaleur plus efficace car leurs surfaces inégales ne permettent pas aux chaînes de polymère de se rassurer aussi étroitement que les charges parfaitement lisses. Cet effet inattendu, connu sous le nom de couplages vibrationnels améliorés entre les polymères et les charges défectueuses aux interfaces polymère / remplissage, stimule la conductivité thermique et réduit la résistance, ce qui rend le matériau plus efficace au transfert de la chaleur.
« Les défauts agissent parfois comme des ponts, améliorant le couplage à travers l'interface et permettant un meilleur flux de chaleur », explique Jun Liu, professeur agrégé au Département de génie mécanique et aérospatial de la North Carolina State University. « En effet, l'imperfection peut parfois conduire à de meilleurs résultats. »
Xu pense que ces résultats, à la fois expérimentaux et théoriques, jettent les bases de l'ingénierie de nouveaux matériaux polymères avec une conductivité thermique ultra-élevée. Ces avancées présentent de nouvelles opportunités pour les appareils – des micropuces hautes performances à la robotique douce de nouvelle génération – pour faire fonctionner plus fraîche et plus efficacement grâce à une dissipation de chaleur améliorée.
