Polímeros com enchimentos defeituosos aumentam a transferência de calor em plásticos, o estudo revela

Na busca de projetar a próxima geração de materiais para dispositivos modernos – ones que são leves, flexíveis e excelentes ao dissipar o calor – uma equipe de pesquisadores liderados pela Universidade de Massachusetts que Amherst fez uma descoberta: a imperfeição tem suas vantagens.

Esta pesquisa, publicada em Avanços científicosexperimentalmente e teoricamente descobriram que os polímeros (comumente chamados de plásticos) feitos com preenchimentos condutores termicamente contendo defeitos tiveram um desempenho 160% melhor do que aqueles com enchimentos perfeitos. Essa descoberta contra-intuitiva desafia as suposições de longa information que defendem o desempenho do materials. Em vez disso, aponta para uma nova estratégia promissora para a engenharia compósitos de polímeros com condutividade térmica extremely -alta.

O estudo foi liderado por UMass Amherst com colaboradores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, Universidade Estadual da Carolina do Norte, Universidade de Stanford, Laboratório Nacional de Oak Ridge, Laboratório Nacional de Argonne e Universidade de Rice.

Os polímeros revolucionaram os dispositivos modernos com sua leveza inigualável, isolamento elétrico, flexibilidade e facilidade de processamento – metais e cerâmicas de qualidades simplesmente não podem rivalizar. Os polímeros estão incorporados em todos os cantos do nosso cenário tecnológico, de microchips de alta velocidade e LEDs a smartphones e robótica suave.

No entanto, polímeros comuns são isoladores térmicos com baixa condutividade térmicao que pode levar a problemas de superaquecimento. Suas propriedades isolantes inerentes prendem o calor, gerando pontos quentes perigosos que se mudam e aceleram o desgaste, aumentando o risco de falhas catastróficas e até incêndios.

Durante anos, os cientistas tentaram melhorar a condutividade térmica dos polímeros, incorporando cargas altamente condutivas altamente térmicas, como metais, cerâmica ou materiais à base de carbono. A lógica é direta: a mistura de preenchimentos condutores termicamente deve melhorar o desempenho geral.

No entanto, na prática, não é tão simples. Considere um polímero misturado com diamantes.

Dada a excepcional condutividade térmica de um diamante de cerca de 2.000 watts por metro por Kelvin (WM^-1 Okay^-1), um polímero composto por 40% de preenchimento de diamante pode teoricamente alcançar a condutividade de cerca de 800 Wm^-1 Okay^-1. No entanto, os resultados práticos ficaram aquém devido a desafios como aglomeração de enchimento, defeitos, alta resistência ao contato entre polímeros e enchimentos e baixa condutividade térmica de matrizes poliméricas, que minam a transferência de calor.

“A compreensão dos mecanismos de transporte térmico em materiais poliméricos tem sido um desafio de longa information, em parte devido às complicadas estruturas de polímeros, defeitos onipresentes e distúrbios”, diz Yanfei Xu, Professor Assistente de Mecânica e Mecânica e UMass Amherst de mecânica e Engenharia Industrial e autor correspondente do artigo.

Para o seu estudo, com o objetivo de estabelecer as bases para entender o transporte térmico em materiais poliméricos e controlar a transferência de calor por interfaces heterogêneas, a equipe criou dois compósitos de polímero de álcool polivinil (PVA) – um incorporando enchimentos de grafite perfeitos e outro usando preenchimentos de grafite de defeito, cada um com uma baixa fração de quantity de 5%.

Como esperado, os preenchimentos perfeitos por conta própria eram mais condutores termicamente do que os imperfeitos.

“Medimos enchimentos perfeitos (grafite) por conta própria, com alta condutividade térmica de aproximadamente 292,55 wm^-1 Okay^-1 comparado a apenas 66,29 wm^-1 Okay^-1 Para os defeituosos (óxido de grafite) por conta própria – uma diferença quase cinco vezes “, diz Yijie Zhou, o principal autor e estudante de pós -graduação em engenharia mecânica da UMass Amherst.

No entanto, surpreendentemente, quando esses preenchimentos são adicionados aos polímeros, os polímeros feitos com preenchimentos de óxido de grafite contendo defeitos tiveram um desempenho 160% melhor do que aqueles com preenchimentos de grafite perfeitos.

A equipe usou uma combinação de experimentos e modelos – medições de transporte térmico, espalhamento de nêutrons, modelagem mecânica quântica e Simulações de dinâmica molecular– Estudar como os defeitos influenciam o transporte térmico em compósitos poliméricos.

Eles descobriram que os preenchimentos defeituosos facilitam a transferência de calor mais eficiente porque suas superfícies irregulares não permitem que as correntes de polímero se juntam tão bem quanto os enchimentos perfeitamente suaves. Esse efeito inesperado, conhecido como acoplamentos vibracionais aprimorados entre os polímeros e os preenchimentos defeituosos nas interfaces de polímero/enchimento, aumenta a condutividade térmica e reduz a resistência, tornando o materials mais eficiente na transferência de calor.

“Os defeitos, às vezes, atuam como pontes, aprimorando o acoplamento na interface e permitindo um melhor fluxo de calor”, diz Jun Liu, professor associado do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Universidade Estadual da Carolina do Norte. “De fato, a imperfeição às vezes pode levar a melhores resultados”.

Xu acredita que esses resultados, experimentais e teóricos, estabelecem as bases para a engenharia de novos materiais poliméricos com condutividade térmica ultra-alta. Esses avanços apresentam novas oportunidades para dispositivos-de microchips de alto desempenho a robótica macia de próxima geração-para operar mais fria e com mais eficiência através da melhor dissipação de calor.