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《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》：非晶聚酰亞胺納米纖維熱輸運(yùn)的尺寸效應(yīng)研究
文章來(lái)源：未知 更新時(shí)間：2018-02-28 10:50:39
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高分子聚合物因其具有質(zhì)輕、柔韌性好以及化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異等物理性質(zhì)被普遍應(yīng)用于日常生活之中。然而高分子聚合物一直被認(rèn)為是熱絕緣體的典型代表，其在室溫下的熱導(dǎo)率僅有0.1-0.3 Wm-1K-1，這使得高分子聚合物在熱輸運(yùn)與熱調(diào)控領(lǐng)域的應(yīng)用受到了極大的限制。近年來(lái)，大量研究結(jié)果表明高分子聚合物以及其納米復(fù)合材料有望作為熱界面材料進(jìn)而改善高密度集成芯片的散熱問(wèn)題。
因此，開(kāi)發(fā)和研究高熱導(dǎo)率的高分子聚合物材料對(duì)于熱界面材料的改進(jìn)與發(fā)展具有極其重要的意義。在現(xiàn)有的報(bào)道中，通過(guò)調(diào)控非晶態(tài)高分子聚合物納米纖維的直徑大小可以有效控制分子鏈的取向和有序度。隨著納米纖維分子鏈的取向一致，納米纖維的熱導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)了至少一個(gè)數(shù)量級(jí)的極高增長(zhǎng)。雖然實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)觀測(cè)到了非晶高分子聚合物納米纖維的高熱導(dǎo)率，但是對(duì)于非晶高分子聚合物納米纖維的傳熱機(jī)理研究卻鮮少有聞。目前已有的擴(kuò)散子傳熱、最小熱導(dǎo)率模型以及聲子輔助躍遷模型都是基于無(wú)機(jī)非晶材料建立起來(lái)的傳熱理論模型，對(duì)于高分子聚合物體系并不完全適用，因此非晶高分子聚合物材料的傳熱機(jī)理研究已顯得尤為重要。
同濟(jì)大學(xué)聲子學(xué)與熱能科學(xué)中心徐象繁研究員課題組，周俊教授課題組，及美國(guó)科羅拉多大學(xué)李保文教授合作完成了對(duì)非晶態(tài)聚酰亞胺納米纖維高熱導(dǎo)率的傳熱機(jī)理的研究工作。首次在非晶態(tài)聚酰亞胺納米纖維體系中實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到傳熱機(jī)制從三維塊材行為到一維納米纖維行為的轉(zhuǎn)變（圖1(a)）。實(shí)驗(yàn)中采用靜電紡絲技術(shù)制備了直徑范圍在31 nm至167 nm內(nèi)的聚酰亞胺納米纖維，表征了單根納米纖維熱導(dǎo)率隨溫度變化的依賴關(guān)系以及熱導(dǎo)率隨直徑變化的依賴關(guān)系。
在此研究中，團(tuán)隊(duì)還提出了一種基于隨機(jī)行走理論的理論模型。該理論模型考慮了聚酰亞胺納米纖維內(nèi)部分子鏈內(nèi)與鏈間的跳躍模式對(duì)聲子傳熱的影響。該理論模型已證實(shí)能夠很好的解釋高分子聚合物納米纖維熱導(dǎo)率隨直徑變化的依賴關(guān)系（圖1(b)），并有期繼續(xù)發(fā)展成為非晶態(tài)高分子聚合物傳熱理論發(fā)展之路上的重要工作。
相關(guān)成果以Dimensional crossover of heat conduction in amorphous polyimide nanofibers”為題，發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review)上。文章第一作者是同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院聲子學(xué)與熱能科學(xué)中心的博士生董嵐，共同一作是同中心的博士生席晴。徐象繁研究員，周俊教授和李保文教授為通訊作者。
該工作在基金委自然科學(xué)基金（基金號(hào)：11674245, 11334007, 11505128），上海市東方學(xué)者（基金號(hào)：TP2014012），上海市科委（基金號(hào)：17142202100, 17ZR1447900）及同濟(jì)大學(xué)“領(lǐng)航特聘研究員計(jì)劃”啟動(dòng)資金支持下完成。 |
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