Les matériaux polymères sont généralement des isolants thermiques. Mais en exploitant un processus d'électropolymérisation pour produire des réseaux alignés de nanofibres polymères, des chercheurs ont développé un matériau d'interface thermique capable de conduire la chaleur 20 fois mieux que le polymère d'origine. Le matériau modifié peut fonctionner de manière fiable à des températures allant jusqu'à 200 degrés Celsius.

Le nouveau matériau d'interface thermique pourrait être utilisé pour évacuer la chaleur des appareils électroniques dans les serveurs, automobile, LED haute luminosité et certains appareils mobiles. Le matériau est fabriqué sur des dissipateurs de chaleur et des dissipateurs de chaleur et adhère bien aux appareils, évitant potentiellement les problèmes de fiabilité causés par la dilatation différentielle dans d'autres matériaux thermoconducteurs.

"Les schémas de gestion thermique peuvent devenir plus compliqués à mesure que les appareils deviennent plus petits, " dit Baratunde Cola, professeur adjoint à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering du Georgia Institute of Technology. "Un matériau comme celui-ci, qui pourrait également offrir une plus grande fiabilité, pourrait être intéressant pour résoudre les problèmes de gestion thermique. Ce matériau pourrait à terme nous permettre de concevoir des systèmes électroniques de différentes manières."

La recherche, qui a été soutenu par la National Science Foundation, a été rapporté le 30 mars dans la publication en ligne anticipée de la revue Nature Nanotechnologie . Le projet impliquait des chercheurs du Georgia Institute of Technology, Université du Texas à Austin, et la société Raytheon. Virendra Singh, chercheur à la Woodruff School, et Thomas Bougher, un doctorat étudiant à l'école Woodruff, sont les co-premiers auteurs de l'article.

Les matériaux polymères amorphes sont de mauvais conducteurs thermiques car leur état désordonné limite le transfert des phonons thermoconducteurs. Ce transfert peut être amélioré en créant des structures cristallines alignées dans les polymères, mais ces structures - formées par un processus de fibrage - peuvent laisser le matériau cassant et facilement fracturé lorsque les dispositifs se dilatent et se contractent pendant les cycles de chauffage et de refroidissement.

Le nouveau matériau d'interface est produit à partir d'un polymère conjugué, polythiophène, dans lequel les chaînes polymères alignées dans les nanofibres facilitent le transfert des phonons – mais sans la fragilité associée aux structures cristallines, Cola a expliqué. La formation des nanofibres produit un matériau amorphe avec une conductivité thermique allant jusqu'à 4,4 watts par mètre Kelvin à température ambiante.

Le matériau a été testé jusqu'à 200 degrés Celsius, une température qui pourrait le rendre utile pour des applications dans les véhicules. Des matériaux de soudure ont été utilisés pour les interfaces thermiques entre les puces et les dissipateurs thermiques, mais peuvent ne pas être fiables lorsqu'elles sont utilisées à proximité de leurs températures de refusion.

« Les polymères ne sont généralement pas envisagés pour ces applications car ils se dégradent normalement à une température aussi basse, " expliqua Cola. " Mais ces polymères conjugués sont déjà utilisés dans les cellules solaires et les appareils électroniques, et peut également fonctionner comme matériaux thermiques. Nous profitons du fait qu'ils ont une stabilité thermique plus élevée car la liaison est plus forte que dans les polymères typiques."

Les structures sont développées dans un processus en plusieurs étapes qui commence par un modèle d'alumine contenant de minuscules pores recouverts d'un électrolyte contenant des précurseurs de monomères. Lorsqu'un potentiel électrique est appliqué au gabarit, des électrodes à la base de chaque pore attirent les monomères et commencent à former des nanofibres creuses. La quantité de courant appliquée et le temps de croissance contrôlent la longueur des fibres et l'épaisseur de leurs parois, tandis que la taille des pores contrôle le diamètre. Les diamètres des fibres vont de 18 à 300 nanomètres, selon le modèle de pores.

Après formation des chaînes monomères, les nanofibres sont réticulées par un procédé d'électropolymérisation, et le modèle supprimé. La structure résultante peut être attachée à des appareils électroniques par l'application d'un liquide tel que de l'eau ou un solvant, qui étale les fibres et crée une adhérence par capillarité et forces de van der Waals.

"Avec l'approche de traitement de polymérisation électrochimique que nous avons adoptée, nous avons pu aligner les chaînes du polymère, et le gabarit semble empêcher les chaînes de se plier en cristaux de sorte que le matériau est resté amorphe, " expliqua Cola. " Même si notre matériau est amorphe d'un point de vue cristallin, les chaînes polymères sont fortement alignées - environ 40 pour cent dans certains de nos échantillons."

Bien que la technique nécessite encore des développements supplémentaires et ne soit pas entièrement comprise théoriquement, Cola pense qu'il pourrait être étendu pour la fabrication et la commercialisation. Le nouveau matériau pourrait permettre des interfaces thermiques fiables d'une épaisseur allant jusqu'à trois microns, contre 50 à 75 microns avec les matériaux conventionnels.

« Il y a des défis avec notre solution, mais le processus est intrinsèquement évolutif d'une manière similaire à la galvanoplastie, " dit-il. " Ce matériau est bien connu pour ses autres applications, mais le nôtre est un usage différent."

Les ingénieurs ont recherché un matériau d'interface thermique amélioré qui pourrait aider à éliminer la chaleur des appareils électroniques. Le problème de l'élimination de la chaleur s'est aggravé à mesure que les appareils sont devenus à la fois plus petits et plus puissants.

Plutôt que de rechercher des matériaux en raison de leur conductivité thermique élevée, Cola et ses collaborateurs ont étudié des matériaux qui pourraient fournir des niveaux de contact plus élevés dans l'interface. C'est parce que dans certains des meilleurs matériaux d'interface thermique, moins d'un pour cent du matériel était effectivement en contact.

"J'ai arrêté de trop penser à la conductivité thermique des matériaux et j'ai commencé à réfléchir aux types de matériaux qui établissent un très bon contact dans une interface, ", a déclaré Cola. Il a décidé de rechercher des matériaux en polythiophène après avoir lu un article décrivant une application de "pied de gecko" dans laquelle le matériau fournissait un contact estimé à 80%.

Des échantillons du matériau ont été testés à 200 degrés Celsius au cours de 80 cycles thermiques sans aucune différence de performance détectable. Bien que des travaux supplémentaires soient nécessaires pour comprendre le mécanisme, Cola pense que la robustesse résulte de l'adhérence du polymère plutôt que d'un collage.

"Nous pouvons avoir des contacts sans qu'un lien permanent se forme, " dit-il. " Ce n'est pas permanent, il a donc un logement de stress intégré. Il glisse et laisse le stress du cyclisme thermique se détendre."

En plus de ceux déjà mentionnés, les co-auteurs de l'article comprenaient le professeur Kenneth Sandhage, Chercheur scientifique Ye Cai, Assistant Professor Asegun Henry and graduate assistant Wei Lv of Georgia Tech; Prof. Li Shi, Annie Weathers, Kedong Bi, Micheal T. Pettes and Sally McMenamin in the Department of Mechanical Engineering at the University of Texas at Austin; and Daniel P. Resler, Todd Gattuso and David Altman of the Raytheon Company.

A patent application has been filed on the material. Cola has formed a startup company, Carbice Nanotechnologies, to commercialize thermal interface technologies. It is a member of Georgia Tech's VentureLab program.