折叠高分子链中微纳尺度热输运的机理研究

Highly thermal conductive polymers have great potentials in the applications of many important areas, such as novel functional materials, energy conservation and environmental protection, renewable energies, and lithium-ion batteries. However, almost all bulk polymers have low thermal conductivity, which is because the long polymer chains can fold and result inefficient phonon transport in polymers. From atomistic scale, the chain folding originates from the rotation of covalent bonds in polymers, such as C-C sp3 bonds. Therefore, the research of thermal transport in polymers needs in depth investigations from the bonding and folding of polymer chains. However, such kind of research is rather rare. In this project, starting from the atomic bonding and chain morphology, we will perform in depth studies of frequency-dependent phonon transmission along folded polymer chains, elucidate phonon scatter mechanism in polymer chains, and establish models which link the thermal transport properties and the structure of polymers. Experimentally, we will modify the current polymer film fabrication process, and try to fabricate bulk polymers with high thermal conductivity. With measured thermal conductivity, we will verify it with the theoretical model.

高导热的高分子材料在国民经济及国防的多个领域，比如新材料﹑节能环保﹑新能源﹑锂电池等中，都有着重大的应用需求。但是，常规的高分子材料都具有极低的热导率。影响高分子材料导热的一个主要因素是：长的高分子链通常会产生很多的折叠，从而导致热量不能有效的传递。从原子尺度分析，此类折叠产生的原因是高分子链可以围绕一些共价键旋转，比如C-C sp3 键。因此，研究高分子材料中的热输运必须从高分子链中的成键以及折叠出发，然而该方面的研究目前还较少，且不深入。该项目拟从高分子材料的原子成键以及高分子链的纳米结构形态出发，深入研究不同频率的声子沿着折叠的高分子链输运时的透射率，阐明高分子链中声子的散射机制，并建立高分子材料导热系数与其微观结构的关系模型。另外，该项目将改进目前制备高导热高分子薄膜的方法，尝试制备块状高导热的高分子材料，测试其热导率，并和理论模型进行验证。

高导热的高分子材料在国民经济及国防的多个领域，比如新材料﹑节能环保﹑新能源和锂电池等中，都有着重大的应用需求。但是，常规的高分子材料都具有极低的热导率。影响高分子材料导热的一个主要因素是：长的高分子链通常会产生很多的折叠，从而导致热量不能有效的传递。本项目首先从原子尺度分析了单根高分子链的弯曲与折叠对其热输运的影响，研究发现高分子链的弯曲结构对其导热影响不明显，而折叠结构对高分子链的导热具有决定作用，采用原子格林函数方法本项目计算了不同频率的声子沿着折叠的高分子链输运时的透射系数，并首次计算发现即使是通过高分子链的单一折叠结构，也会使得一半以上的声子被散射。本项目还研究了高分子链之间通过范德华力产生的热输运，结果表明链-链之间的热导存在最大值（或热阻最小），并对应一最优重叠长度。然后，本项目研究了高分子单链组成的半晶体状态高分子中的热输运，结果表明高分子材料层状形态之间的桥接单链对高分子块状材料中的热输运具有重要的作用。本项目还提出了高分子链以及半晶体高分子中的热输运的导热模型，并得到很好的模拟验证。最后本项目尝试了高导热高分子材料的制备，探索了制备过程的关键问题，为后续进一步工作打下基础。综上，基于原子尺度的模拟以及宏观导热模型，本项目阐明了高分子材料中的导热机理，并第一次计算了通过高分子折叠结构的透射系数，阐述了其对高分子导热的决定性作用。基于此研究结果，我们认为制备高导热高分子材料必须对高分子的主链进行设计，并满足以下几个关键条件：（1）主链结构不存在能发生折叠的共价键结构；（2）主链的晶胞结构不复杂；（3）高分子链-链之间通过氢键等增强热输运。本项目研究成果指出了高导热高分子材料制备中长期存在的难点问题，并给出了理论依据，可以为实验制备方法提供新的思路。