不完全なフィラーを使ったポリマーが熱伝導性を向上(New Study Reveals Polymers with Flawed Fillers Boost Heat Transfer in Plastics)

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2025-04-04 マサチューセッツ大学アマースト校

マサチューセッツ大学アマースト校の研究チームは、プラスチックの熱伝導率向上に関する新たな発見をしました。従来、完璧なフィラー(充填材)が最適とされていましたが、研究では欠陥を持つフィラーが熱伝導率を160%向上させることが示されました。具体的には、欠陥のある酸化グラファイトをポリビニルアルコール(PVA)に5%の割合で添加した場合、完璧なグラファイトを添加した場合よりも熱伝導性が向上しました。これは、欠陥のあるフィラーがポリマー鎖の密な配置を妨げ、ポリマーとフィラー間の振動結合を強化し、熱伝導を促進するためと考えられます。この成果は、高性能マイクロチップや次世代ソフトロボティクスなど、熱管理が重要なデバイスの効率向上に寄与する可能性があります。

<関連情報>

高分子複合材料における界面熱輸送向上のための欠陥振動工学 Defects vibrations engineering for enhancing interfacial thermal transport in polymer composites

Yijie Zhou, Robert Ciarla, Artittaya Boonkird, Saqlain Raza, […] , and Yanfei Xu
Science Advances  Published:22 Jan 2025
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.adp6516

不完全なフィラーを使ったポリマーが熱伝導性を向上(New Study Reveals Polymers with Flawed Fillers Boost Heat Transfer in Plastics)

Abstract

To push upper boundaries of thermal conductivity in polymer composites, understanding of thermal transport mechanisms is crucial. Despite extensive simulations, systematic experimental investigation on thermal transport in polymer composites is limited. To better understand thermal transport processes, we design polymer composites with perfect fillers (graphite) and defective fillers (graphite oxide), using polyvinyl alcohol (PVA) as a matrix model. Measured thermal conductivities of ~1.38 ± 0.22 W m−1 K−1 in PVA/defective filler composites is higher than those of ~0.86 ± 0.21 W m−1 K−1 in PVA/perfect filler composites, while measured thermal conductivities in defective fillers are lower than those of perfect fillers. We identify how thermal transport occurs across heterogeneous interfaces. Thermal transport measurements, neutron scattering, quantum mechanical modeling, and molecular dynamics simulations reveal that vibrational coupling between PVA and defective fillers at PVA/filler interfaces enhances thermal conductivity, suggesting that defects in polymer composites improve thermal transport by promoting this vibrational coupling.

0504高分子製品
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