同济大学周俊和陈杰Adv. Funct. Mater.:导电聚合物基材料的热传输

【引言】

导电聚合物及其复合材料由于其重量轻，成本低，可再循环，以及优异的导电性和化学稳定性等突出特性而备受关注。可穿戴智能设备的最新进展为人类生活带来了极大的便利。触摸屏显示器，健康监测传感器，功能性服装和其他智能纺织产品等设备都依赖于导电聚合物材料的优异电气和机械性能。此外，导电聚合物由于其良好的电学性质和生物相容性也已经用于生物医学应用，例如生物传感器和组织工程。然而，导电聚合物不能降解成为它们在组织工程中应用的最严重的限制之一。科研工作者已经致力于开发可生物降解和导电的聚合物材料。已经合成并利用具有改进的生物降解性的导电聚合物共混物，例如聚己内酯（PCL）/聚吡咯（PPY），用于制造诸如电谐振器电路的生物电子器件。因此，导电聚合物基材料具有广泛的应用，范围从柔性电子，生物医学应用，智能纺织品到热电材料。然而，大多数聚合物的导热性非常低，这可能导致诸如散热失败的器件应用的严重问题，尤其是对于有机电子器件。以往的研究表明，聚合物的低导热系数主要来自无定形结构和弱链间相互作用。因此，为了定制导电聚合物中的热传导，理解导电聚合物中的热传输机制是非常重要的。

【成果简介】

对柔性导电材料的需求推动了许多最近对导电聚合物基材料的研究。然而，导电聚合物的导热率相对较低，这可能导致器件应用中严重的散热问题。本综述概述了导电聚合物及其复合材料中热传输的基本原理，以及最近在调节导热性方面的进展。首先总结了基于导电聚合物的材料中的热传输机制和用于测量热导率的最新实验方法。然后讨论了调节热导率的有效方法。最后，给出了导热聚合物及其复合材料的热相关应用和未来前景。该成果以题为“Thermal Transport in Conductive Polymer-Based Materials”发表在Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

Figure 1.测量方法

a）热接触电阻Rc和本征热阻Rint的示意图

b）悬浮纤维的长度依赖性热阻

c）用于热导率测量的TDTR方法的示意图

d）幅度的原始数据以及在T = 280K时玻璃基板上的P3HT的拟合结果

e）跨平面热导率的差分3ω测量

f）用于估计PEDOT：Tos薄膜的跨平面和平面内热导率之间的比率的装置示意图

g）较宽和较窄加热器的温度降低，对应于（f）。它们的比率以及加热器的宽度和厚度之间的比率用于提取横向平面和平面内热导率之间的比率（插图）。

Figure 2.热导率的测定

a）未掺杂，掺杂和取向(CH)_x的导热率

b）结晶PANI束的低温导热率

Figure 3.掺杂的影响

a）用于热测量的悬挂装置的扫描电子显微镜（SEM）图像

b）面内κ与300 K时的面内σ

c）PANI的导电性和导热性之间的相关性

Figure 4.材料表征

a）具有小直径的纳米纤维中的准一维热传输的示意图，其中所有分子链沿着纤维轴排列

b）具有大直径的纳米纤维中的准各向同性热扩散的示意图

c）在玻璃基板上的P3HT的WAXS图案

d）在玻璃基板上的纯无定形P3HT的WAXS图案

e）P3HT/FeCl₃薄膜。 基质上的氧化剂（FeCl₃）用作聚合物链增长的主体模板

f）通过甲醇漂洗除去氧化剂的P3HT薄膜

Figure 5.各种力和键的示意图

a）静电力

b）范德瓦尔斯力

c）氢键和共价键

d）离子键

Figure 6.基于碳材料的导热率

a）SWNT/PANI复合薄膜的室温导热率

b）当CNT之间的热接触电导在0.1至10 pW/K-1之间变化时，CNT/PANI复合材料的理论导热率

Figure 7.纳米线的表征

a-c）使用具有不同直径的P3HT纳米线的3ω-SThM的SEM照片，原子力显微镜（AFM）形貌和SThM热图像

d）WAHTS测量P3HT纳米线的集合，其中波矢量Q垂直于纳米线

Figure 8.磁场可以引起mCNT沿磁场方向的排列

a-b）制备垂直排列的PVDF-mCNT复合材料和水平排列的PVDF-mCNT复合材料中mCNT的排列的示意图

c）具有氧化铁颗粒的mCNT的透射电子显微镜（TEM）

Figure 9.不同退火温度下P(VDF-TrFE)薄膜的导热系数与温度的关系

【小结】

作者在这篇综述中，讨论了导电聚合物及其复合材料的热性能和潜在应用。总结了表征导电聚合物导热性的理论模型和实验技术。孤子，极化子和双极化子的准粒子是掺杂聚合物中的主要热载体。极高的掺杂水平不会导致大的导热性，尽管导电率可能接近金属的值。此外，已经利用各种实验方法来增强导电聚合物的导热性，包括链取向，无机填料，链间和链内偶联和电子掺杂。后一种方法表明Wiedemann-Franz定律在导电聚合物中的有效性值得怀疑，这取决于掺杂水平。已经成功地使用各种实验测量技术来测量聚合物的导热率，尽管存在一些瓶颈，尤其是对于薄膜的面内热导率测量。。

Thermal Transport in Conductive Polymer-Based Materials

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

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