【一頁物理】用石墨烯提昇塑膠的導熱性

■美國與英國的物理學家成功的利用石墨烯(graphene)來提昇PET塑膠(聚乙烯對苯二甲酸酯,Polyethylene Terephthalate)的導熱性。

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圖片來源:維基百科

撰文|陳勁豪

PET是日常生活中最常見的塑膠之一。它具有相當好的可塑性,幾乎可以製成任何形狀,最常用於製作寶特瓶及各式飲料瓶。PET的一大特性是導熱率相當低,大約是0.2 W/m/K左右。低導熱率的好處是可以用來製作保暖衣物,但是卻影響了PET在固態照明及電子元件上的應用,因為系統所產生的熱能會因為PET的低導熱率而沒有辦法快速排掉。

美國UC Riverside的Alexander Balandin及英國曼徹斯特大學的Konstantin Novoselov所領導的研究團隊想出了一個解決的方法。他們選中的材料是石墨烯。

石墨烯是由單層碳原子所組成的二維平面結構,同時具有相當優異的導熱性,在室溫時約為2000-5000 W/m/K。石墨烯傳遞熱量方式基本上是靠著自身晶格的振動,當石墨烯接在其他的物質上面時,晶格的振動會受到基座的影響,而使石墨烯的導熱率下降。即便如此,在基板上的石墨烯依舊有著相當優秀的導熱率。

這群英美兩國的研究團隊讓平均尺寸約為一微米的石墨烯碎片附著在PET基板上,累積成厚度約9-44微米(um)的石墨烯層。他們測量這個石墨烯-PET混合結構的導熱性,發現這個結構的導熱率在室溫約為40-90 W/m/K,比單純的PET的導熱率高兩百倍以上。這已經相當接近鉛(35.3W/m/K)及鐵(80W/m/K)的導熱率。他們同時發現,這個新方法的所產生的導熱率正比與PET上的石墨烯碎片的尺寸。

這個新發現將有可能讓PET能夠在更多領域中,尤其是需要高導熱性,高強度,低重量的場合得到更多應用。

原始論文:
Thermal Conductivity of Graphene Laminate
Nano Lett., 2014, 14 (9), pp 5155–5161
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl501996v

參考資料:
Oct 28, 2014 Physics World
Graphene boosts thermal conductivity of popular plastic
http://physicsworld.com/cws/article/news/2014/oct/28/graphene-boosts-thermal-conductivity-of-popular-plastic

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

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