同濟大學周俊和陳杰Adv. Funct. Mater.:導電聚合物基材料的熱傳輸

【引言】

導電聚合物及其復合材料由于其重量輕，成本低，可再循環，以及優異的導電性和化學穩定性等突出特性而備受關注。可穿戴智能設備的最新進展為人類生活帶來了極大的便利。觸摸屏顯示器，健康監測傳感器，功能性服裝和其他智能紡織產品等設備都依賴于導電聚合物材料的優異電氣和機械性能。此外，導電聚合物由于其良好的電學性質和生物相容性也已經用于生物醫學應用，例如生物傳感器和組織工程。然而，導電聚合物不能降解成為它們在組織工程中應用的最嚴重的限制之一。科研工作者已經致力于開發可生物降解和導電的聚合物材料。已經合成并利用具有改進的生物降解性的導電聚合物共混物，例如聚己內酯（PCL）/聚吡咯（PPY），用于制造諸如電諧振器電路的生物電子器件。因此，導電聚合物基材料具有廣泛的應用，范圍從柔性電子，生物醫學應用，智能紡織品到熱電材料。然而，大多數聚合物的導熱性非常低，這可能導致諸如散熱失敗的器件應用的嚴重問題，尤其是對于有機電子器件。以往的研究表明，聚合物的低導熱系數主要來自無定形結構和弱鏈間相互作用。因此，為了定制導電聚合物中的熱傳導，理解導電聚合物中的熱傳輸機制是非常重要的。

【成果簡介】

對柔性導電材料的需求推動了許多最近對導電聚合物基材料的研究。然而，導電聚合物的導熱率相對較低，這可能導致器件應用中嚴重的散熱問題。本綜述概述了導電聚合物及其復合材料中熱傳輸的基本原理，以及最近在調節導熱性方面的進展。首先總結了基于導電聚合物的材料中的熱傳輸機制和用于測量熱導率的最新實驗方法。然后討論了調節熱導率的有效方法。最后，給出了導熱聚合物及其復合材料的熱相關應用和未來前景。該成果以題為“Thermal Transport in Conductive Polymer-Based Materials”發表在Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

Figure 1.測量方法

a）熱接觸電阻Rc和本征熱阻Rint的示意圖

b）懸浮纖維的長度依賴性熱阻

c）用于熱導率測量的TDTR方法的示意圖

d）幅度的原始數據以及在T = 280K時玻璃基板上的P3HT的擬合結果

e）跨平面熱導率的差分3ω測量

f）用于估計PEDOT：Tos薄膜的跨平面和平面內熱導率之間的比率的裝置示意圖

g）較寬和較窄加熱器的溫度降低，對應于（f）。它們的比率以及加熱器的寬度和厚度之間的比率用于提取橫向平面和平面內熱導率之間的比率（插圖）。

Figure 2.熱導率的測定

a）未摻雜，摻雜和取向(CH)_x的導熱率

b）結晶PANI束的低溫導熱率

Figure 3.摻雜的影響

a）用于熱測量的懸掛裝置的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像

b）面內κ與300 K時的面內σ

c）PANI的導電性和導熱性之間的相關性

Figure 4.材料表征

a）具有小直徑的納米纖維中的準一維熱傳輸的示意圖，其中所有分子鏈沿著纖維軸排列

b）具有大直徑的納米纖維中的準各向同性熱擴散的示意圖

c）在玻璃基板上的P3HT的WAXS圖案

d）在玻璃基板上的純無定形P3HT的WAXS圖案

e）P3HT/FeCl₃薄膜。 基質上的氧化劑（FeCl₃）用作聚合物鏈增長的主體模板

f）通過甲醇漂洗除去氧化劑的P3HT薄膜

Figure 5.各種力和鍵的示意圖

a）靜電力

b）范德瓦爾斯力

c）氫鍵和共價鍵

d）離子鍵

Figure 6.基于碳材料的導熱率

a）SWNT/PANI復合薄膜的室溫導熱率

b）當CNT之間的熱接觸電導在0.1至10 pW/K-1之間變化時，CNT/PANI復合材料的理論導熱率

Figure 7.納米線的表征

a-c）使用具有不同直徑的P3HT納米線的3ω-SThM的SEM照片，原子力顯微鏡（AFM）形貌和SThM熱圖像

d）WAHTS測量P3HT納米線的集合，其中波矢量Q垂直于納米線

Figure 8.磁場可以引起mCNT沿磁場方向的排列

a-b）制備垂直排列的PVDF-mCNT復合材料和水平排列的PVDF-mCNT復合材料中mCNT的排列的示意圖

c）具有氧化鐵顆粒的mCNT的透射電子顯微鏡（TEM）

Figure 9.不同退火溫度下P(VDF-TrFE)薄膜的導熱系數與溫度的關系

【小結】

作者在這篇綜述中，討論了導電聚合物及其復合材料的熱性能和潛在應用。總結了表征導電聚合物導熱性的理論模型和實驗技術。孤子，極化子和雙極化子的準粒子是摻雜聚合物中的主要熱載體。極高的摻雜水平不會導致大的導熱性，盡管導電率可能接近金屬的值。此外，已經利用各種實驗方法來增強導電聚合物的導熱性，包括鏈取向，無機填料，鏈間和鏈內偶聯和電子摻雜。后一種方法表明Wiedemann-Franz定律在導電聚合物中的有效性值得懷疑，這取決于摻雜水平。已經成功地使用各種實驗測量技術來測量聚合物的導熱率，盡管存在一些瓶頸，尤其是對于薄膜的面內熱導率測量。。

Thermal Transport in Conductive Polymer-Based Materials

(Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201904704)

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