Гибкий изолятор на основе нанотехнологий обеспечивает высокую прочность и отличную теплопроводность

2019

Исследователи из Университета Райса при Университете Райса изобрели нанокомпозит, который обещает стать отличным высокотемпературным диэлектрическим материалом для гибкой электроники, электрических устройств и накопителей энергии.

Ученый-исследователь риса М.М. Рахман имеет гибкий диэлектрик из полимерного слоя нановолокон и нитрида бора. Новый материал выдерживает высокие температуры и может быть идеальным для гибкой электроники, накопителей энергии и электрических устройств, где тепло является фактором. (Фото предоставлено Джеффом Фитлоу)

Нанокомпозит включает в себя двумерные наноленты из нитрида бора и одномерные полимерные нановолокна. Нановолокна укрепляют самоорганизующийся материал, в то время как нанолистки «белого графена» предлагают теплопроводящую сеть, которая позволяет им выдерживать тепло, которое разрушает типичные диэлектрики, поляризованные изоляторы в батареях и другие устройства, которые разделяют положительный и отрицательный электроды.

Открытие лабораторией рисовых материалов ученым Пуликелем Аджаяном проиллюстрировано в Усовершенствованные функциональные материалы.

Научный сотрудник М.М. Рахман и постдокторский исследователь Anand Puthirath из лаборатории Ajayan руководили исследованием, чтобы найти решение проблемы, поставленной электроникой следующего поколения: диэлектрики должны быть тонкими, гибкими, жесткими и способными выдерживать суровые условия.

«Керамика является очень хорошим диэлектриком, но она механически хрупкая», Рахман сказал об обычном материале. «С другой стороны, полимер является хорошим диэлектриком с хорошими механическими свойствами, но его термическая устойчивость очень низкая».

Нитрид бора является электрическим изолятором, но выгодно рассеивает тепло, сказал он. «Когда мы объединили полимерное нановолокно с нитридом бора, мы получили материал, который является исключительным с точки зрения механики и термически и химически очень стабильным», – сказал Рахман.

По словам ученых, материал толщиной от 12 до 15 микрон служит эффективным теплоотводом до 250 ° C (482 ° F). Испытания показали, что комбинация полимерных нановолокон и нитридов бора распределяла тепло в четыре раза лучше, чем только полимер.

В своей основной форме, один слой полиарамидных нановолокон связывается посредством сил Ван-дер-Ваальса с разбрызгиванием хлопьев нитрида бора, составляющих 10% от массы конечного продукта. Хлопья достаточно плотные, чтобы создать рассеивающую тепло сеть, которая все же позволяет композиту сохранять его гибкость и даже складываемость, сохраняя при этом его прочность. Слои полиарамида и нитрида бора сделают материал более толстым, сохраняя при этом гибкость, считают ученые.

У нановолокон 1D из полиарамида есть много интересных свойств, кроме теплопроводности », – сказал Рахман. «А нитрид бора сейчас очень интересный 2D материал. Они оба имеют разные независимые свойства, но когда они вместе, они создают нечто уникальное.

M.M. Рахман, научный сотрудник, Университет Райса

По словам Рахмана, материал можно масштабировать и легко интегрировать в производство.

Соавторами исследовательской работы являются академические посетители Райса Апарна Адумбумкулат и Фаншу Юань, выпускник Тьерри Цафак, аспиранты Морган Барнс, Цисин Ван, Сандхья Сусарла, Сейед Мохаммад Саджади, Девашиш Салпекар и ученый-исследователь Хоссейн Робатджангузи и Бабатисангули Бабатджазули, учёный из Бабатхази, научный сотрудник. Рафаэль Вердузко, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии, материаловедения и наноинженерии; Сампат Командур и Шеннон Йи из Технологического института Джорджии; и Казуки Номото, С.М. Ислам и Хуили Син из Корнельского университета. Аджаян возглавляет кафедру материаловедения и наноинженерии Райс, профессор инженерных наук Бенджамина М. и Мэри Гринвуд Андерсон и профессор химии.

Исследование финансировалось Военно-исследовательской лабораторией.

Лабораторное видео показывает, как быстро рассеивается тепло от композита из слоя полимерного наноразмерного волокна и нанолист нитрида бора. При воздействии света оба материала нагреваются, но слой простого полимерного нановолокна слева сохраняет тепло гораздо дольше, чем композит справа. (Предоставлено Ajayan Research Group)

Source link