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MIT陈刚院士团队《Science》子刊:首次实现高热导率共轭聚合物薄膜!

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发表于 2019-5-14 16:18:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
来源:功能复合材料

聚合物材料几乎渗透到现代技术的各个方面。柔性与轻质的高分子材料是可穿戴传感器、软体机器人和3D等先进技术发展的前提。然而,聚合物材料被认为是绝热体,低的热导率阻碍了它们在电子设备、能源等领域的应用。当前,金属和陶瓷仍然是主要的热导体。正如本征型导电高分子的发现,在柔性显示、太阳能电池和可穿戴生物传感器等领域发挥着了重要的应用,本征型导热高分子的发展将会在下一代电子、光电和能源设备等领域中开辟一系列重要应用。

结构的无序和弱的分子间相互作用是导致聚合物材料低热导率的主要因素。当前领域内的研究主要都局限在单一提高聚合物分子内相互作用以提高声子沿着分子链方向的传输效率,或单一提高聚合物分子间的相互作用以提高声子在分子链间的传输效率。这些方法需要特殊的制备过程,料的热率呈现各向异性,在实际应用中难以保证稳定性和可靠性。通过分子工程同时提高聚合物分子内和分子间的相互作用是提高聚合物的热导率长期的挑战,是实现有效的各向同性热传输性能的关键。

国际顶尖期刊Science Advances报道了MIT陈刚院士课题组通过自下而上的氧化化学气相沉积,利用沿着聚合物伸长链方向强的C=C共价键和分子链间强的π-π堆叠非共价键相互作用,首次实现了共轭聚合物薄膜)的高热导率。同时存在的这两种相互作用实现了2.2 W/m?K的室温热导率,是传统聚合物的10倍。采用该无溶剂的oCVD技术,可以在各种基材上生长轻质、柔韧的聚合物薄膜导热体,同时具有电绝缘性和耐腐蚀性。

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图1. oCVD合成过程、分子结构和薄膜形态。

共轭聚合物由于具有刚性的共轭主链和强的分子间π-π堆积相互作用,具有发展为热导体的潜能。金刚石和拉伸聚乙烯中的C-C单键是它们具有超高热导率的关键。与C-C单键相比,共轭的C=C双键强度几乎是它的两倍,因此有望显著改善聚合物链方向上的声子传输。而且,分子链间的π-π堆积相互作用是范德华力的10-100倍,可以增强声子在聚合物链间的传输。但传统的共轭聚合物表现出和非共轭聚合物类似的低热导率。

研究者认为共轭聚合物分子链的扭曲和纠缠导致的强声子散射是造成低热导率的原因。陈刚团队通过oCVD法在分子水平上调控聚的合成过程。使用低温的基底吸附过量的氧化剂,过量的氧化剂既可以作为聚合物链增长的模板,也可在链增长的过程中对聚合物主链进行大量的氧化反应,显著稳定链中的醌式结构—一个带有刚性双键的共轭链段连接两个噻吩环,而不是传统的可旋转单键。这种醌式结构对于获得高的热导率至关重要,因为双键和伸长的共轭结构保证了分子链的平面构型。这种平面构型的分子链能够保证其通过π-π相互作用进行多重的有序自组装堆叠。因此,通过oCVD实现了同时具有刚性共轭骨架和强链间π-π相互作用的聚的合成,获得了创记录的室温最高热导率。

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图2. 使用TDTR法得到的热导率。

Yanfei Xu和Xiaoxue Wang博士研究生是该论文的共同第一作者,Karen K. Gleason和Gang Chen教授是该论文的共同通讯作者。

本文封面图片来源于图虫创意
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