В новом исследовании ученые из Японии разработали гибкие термодиффузионные пленки из матрицы нановолокна целлюлозы и наполнителя из углеродного волокна с использованием жидкофазного трехмерного моделирования. Приготовленные пленки показали большую анизотропию теплопроводности в плоскостном направлении, увеличивая рассеивание тепла и избегая теплового взаимодействия между источниками тепла и тонкопленочными электронными устройствами. Фото: Кодзиро Уэтани из TUS, Япония.

Последние несколько десятилетий стали свидетелями огромного прогресса в электронных технологиях с разработкой более тонких, легких, гибких и надежных устройств. Однако по мере того, как устройства становятся тоньше, уменьшается и пространство для размещения внутренних рабочих компонентов. Это создало проблему неправильного рассеивания тепла в тонкопленочных устройствах, поскольку обычные материалы радиатора громоздки и не могут быть интегрированы в них. Таким образом, существует потребность в тонких и гибких термодиффузионных материалах, которые можно использовать в тонкопленочных устройствах для эффективного рассеивания тепла.

В настоящее время некоторые материалы подложки могут выступать в качестве рассеивателей тепла в виде тонких пленок, но большинство из них изотропно рассеивают тепло в плоскостном направлении. Это, в свою очередь, может создать тепловые помехи соседним компонентам устройства.

«Для подложки, на которой с высокой плотностью установлено несколько устройств, необходимо контролировать направление диффузии тепла и находить эффективный путь отвода тепла при одновременной теплоизоляции между устройствами. Разработка пленок подложки с высокой анизотропией в плоскости Поэтому теплопроводность является важной целью», — объясняет младший доцент Кодзиро Уэтани из Токийского научного университета (TUS) в Японии, который занимается исследованием передовых материалов для определения теплопроводности и ранее работал в SANKEN (Институт научных и промышленных исследований). Университет Осаки.

В недавнем исследовании, опубликованном в ACS Applied Materials & Interfaces, д-р Уэтани и его команда, в которую входят доцент Шота Цунеясу из Национального технологического института, колледж Оита, и профессор Тошифуми Сато из Токийского политехнического университета, оба в Японии, сообщили о недавно разработана нанокомпозитная пленка из целлюлозных нановолокон и углеродных волокон-наполнителей, которая продемонстрировала превосходную анизотропную теплопроводность в плоскости.

Многие полимерные композиты с теплопроводными наполнителями были предложены для повышения теплопроводности. Однако имеется несколько сообщений о материалах с дисперсными или пластинчатыми наполнителями, которые проявляют анизотропию теплопроводности, что важно для предотвращения тепловых помех между соседними устройствами. С другой стороны, волокнистые наполнители, такие как углеродные волокна (CF), могут обеспечивать анизотропию в плоскости двумерных материалов из-за их структурной анизотропии.

Также важно подобрать матрицу с высокой теплопроводностью. Сообщается, что нановолокна целлюлозы (CNF), извлеченные из мантии асцидий, обладают более высокой теплопроводностью (около 2,5 Вт / мК), чем обычные полимеры, что делает их пригодными для использования в качестве теплорассеивающего материала. Как показывает способность писать карандашом на бумаге, целлюлоза имеет высокое сродство к углеродным материалам и легко комбинируется с наполнителями УВ. Например, гидрофобный УВ сам по себе не может диспергироваться в воде, но в присутствии УНВ легко диспергируется в воде. Соответственно, команда выбрала в качестве матрицы CNF, полученные из асцидий и морских брызг.

Для синтеза материала команда подготовила водную суспензию CF и CNF, а затем применила метод, называемый жидким 3D-моделированием. В результате был получен нанокомпозит, состоящий из целлюлозной матрицы с одноосно ориентированными углеродными волокнами. Чтобы проверить теплопроводность пленок, команда использовала метод лазерной точечной термометрии с периодическим нагревом и излучением.

Они обнаружили, что материал показал высокую анизотропию теплопроводности в плоскости 433% наряду с проводимостью 7,8 Вт/мК в выровненном направлении и 1,8 Вт/мК в ортогональном направлении плоскости. Они также установили порошковое электролюминесцентное (ЭЛ) устройство на пленку CF/CNF, чтобы продемонстрировать эффективное рассеивание тепла. Кроме того, нанокомпозитная пленка могла охлаждать два близко расположенных источника псевдотепла без каких-либо тепловых помех.

Помимо превосходных термических свойств, еще одним важным преимуществом пленок CF/CNF является возможность их вторичной переработки. Исследователи смогли извлечь CF путем сжигания целлюлозной матрицы, что позволило использовать ее повторно. В целом, эти результаты могут не только служить основой для разработки 2D-пленок с новыми схемами рассеивания тепла, но и способствовать устойчивости процесса. «Отходы, которые мы, люди, производим, оказывают огромное воздействие на окружающую среду. В частности, наполнители для теплопередачи часто являются специализированными и дорогими материалами. В результате мы хотели создать материал, который не превращается в отходы после использования, но может быть восстановлен и повторно использовать для дальнейших применений», — заключает доктор Уэтани.