Compósito de polímero e metal líquido tira o calor dos eletrônicos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/11/2024

Protótipo do equipamento de fabricação dos compósitos de polímero e metal líquido, consistindo em três componentes principais: Zona de cisalhamento, entrada da solução de polímero e circulação de não solvente. A solução de polímero é injetada diretamente na zona de cisalhamento do dispositivo por meio de um conta-gotas, com os coloides dendríticos de aramida formando-se a 18.000 rpm.
[Imagem: Xin Chen et al. - 10.1007/s10118-024-3144-2]

Eletrônicos de plástico

A maioria dos equipamentos eletrônicos, incluindo os componentes individuais em seu interior, ou é inteiramente feita de polímeros ou tem grande quantidade desses "plásticos" em sua composição.

Isso facilita a fabricação, deixa tudo mais barato, mais leve e confortável, mas não sem um custo importante: O gerenciamento térmico é essencial para garantir o desempenho e a vida útil dos eletrônicos, e polímeros não são bons em difundir o calor.

Para superar esse gargalo, pesquisadores têm tentado pegar materiais altamente condutores, como metais líquidos, e integrá-los nos polímeros - esse tipo de uso de um material como preenchimento é conhecido como "carga". No entanto, tem-se mostrado complicado alcançar uma dispersão estável e uma ligação interfacial forte entre as matrizes de polímero e as cargas de metal líquido - além de não alcançar as propriedades térmicas desejadas, perde-se em integridade mecânica do material.

Mas Xin Chen e colegas da Universidade Sichuan, na China, acabam de encontrar um meio de superar essas duas deficiências, um novo método que permite produzir compósitos poliméricos de alto desempenho com metal líquido incorporado.

E as aplicações potenciais desse novo método vão muito além da eletrônica: Os filmes compostos resultantes podem ser utilizados por indústrias que precisem de materiais que suportem tanto o estresse mecânico quanto a dissipação de calor eficiente, como iluminação de LEDs de alta potência, eletrônicos flexíveis e dispositivos vestíveis. Além disso, o método também pode inspirar novos avanços no projeto de materiais compósitos, abrindo caminho para soluções mais sustentáveis e com eficiência energética em vários setores de tecnologia.

Esquema do processo de obtenção dos compósitos, que poderão ser usados em outras indústrias, além da eletrônica.
[Imagem: Xin Chen et al. - 10.1007/s10118-024-3144-2]

Compósito para gerenciamento térmico

Os pesquisadores alcançaram uma melhoria significativa na condutividade térmica dos polímeros aumentando a interação entre as partículas de metal líquido e a matriz do polímero, por meio de um processo que eles chamam de "precipitação induzida por cisalhamento-redefinição interfacial-reprotonação.

Apesar do nome complicado, a técnica fundamenta-se essencialmente em dispersar as partículas de metal líquido dentro da matriz do polímero. Fibras de aramida de tamanho micrométrico (AMFs) servem como base para o compósito porque permitem criar uma estrutura inspirada nas raízes das árvores - essa estrutura dendrítica aumenta a estabilidade e a dispersão.

A ligação ideal entre as fibras de aramida e as partículas de metal líquido foi obtida controlando cuidadosamente o pH durante a protonação - protonação é uma reação química que ocorre quando um próton liga-se a um átomo, uma molécula ou um íon.

Os filmes resultantes atingiram uma condutividade térmica de 10,98 W·m^-1·K^-1, uma melhoria de 126,8% em relação aos compósitos de polímero convencionais. Além disso, os filmes compósitos alcançaram excelentes propriedades mecânicas, incluindo uma resistência à tração de 85,88 MPa, tornando-os ideais para uso em eletrônicos de alta potência, onde durabilidade e dissipação de calor eficiente são cruciais.

"Nossa abordagem não apenas melhora a condutividade térmica de compósitos de polímero, mas também preserva sua resistência mecânica," disse o professor Hua Deng. "Ao estabilizar partículas de metal líquido dentro da matriz de polímero, estamos abrindo novas possibilidades para materiais usados em eletrônicos e outras indústrias onde o gerenciamento de calor eficaz é crítico. Essa técnica pode levar a soluções de gerenciamento térmico mais eficientes no futuro."

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