3Dプリンティング/FDMプロセスによる熱伝導性MWCNT/PLAナノ複合材料の作製

出典: 熱設計

高密度電力伝送、アーキテクチャの複雑性、小型化、機能化、新技術の応用の継続的な発展により、熱放散は高性能コンピューティングおよび電子デバイスの開発におけるボトルネックとなっています。したがって、この問題を解決するために革新的な高熱伝導性材料を開発することは非常に重要です。アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、ダイヤモンド、グラファイト、金属粒子、カーボンナノチューブ（CNT）、グラフェンなどの一般的な熱伝導性フィラーは、望ましい性能を達成するためにポリマー複合材料の製造に広く使用されています。

中でも、カーボンナノチューブは金属ナノフィラーに比べてアスペクト比が大きく、柔軟性も高いため、ポリマーマトリックスにうまく統合して熱管理要件を満たすことができます。多層カーボンナノチューブ（MWCNT）の熱伝導率は2586〜3075 W/(mK)です。しかし、これまでの研究では、ポリマー複合材料にカーボンナノチューブを添加しても、熱伝導率や熱伝達能力の向上には限定的な効果があることが示されています。したがって、フォノン伝達のための下層チャネルの優先方向にカーボンナノチューブを整列させ、複合材料内の所望の充填位置を調整できる方法を開発することが、急速な熱伝導の緊急のニーズを満たすために不可欠です。

3D プリンティングは、積層造形とも呼ばれ、3D モデルデータから材料を層ごとに結合してオブジェクトを製造するプロセスです。その中でも、直接インク書き込み法 (DIW) と熱溶解積層法 (FDM) は、ポリマーナノ複合材料の製造において最も成功し、広く使用されているプロセスになりつつあります。中でも、FDM方式は、幾何学的に複雑な3次元構造やプログラム可能なマクロ・マイクロ構造を製造できるシンプルな方式です。 3D プリントされた高アスペクト比材料は、電気および熱管理、エネルギー収集、エネルギー貯蔵、センシングなどのアプリケーションに必要な機能を含め、印刷された構造に優れた多機能性を付与できます。

3D プリントとカーボンナノチューブを組み合わせることで、階層的に配置された構造をプログラミングするための無限の可能性が生まれます。高い熱伝導率を持つポリマーナノ複合材料を得るためには、ポリマーマトリックスに大量の充填剤を添加し、充填剤の配向と位置を制御することが最も重要です。 3D プリンティングでは、複合材料内の特定の場所に充填剤を望ましい方向に分散させることができるため、熱経路を形成し、望ましい方向での熱伝導性を向上させることができます。

実績

最近、米国デラウェア大学材料科学工学部のChaoying Ni教授は、3Dプリントの手法を通じて、3Dプリントがポリマーの熱伝導率に与える影響を検証しました。研究チームは3Dプリンティングを使用して、MWCNTt充填ポリ乳酸（PLA）ナノ複合材料を作製しました。印刷プロセス中、MWCNT/PLA 複合フィラメントとノズル壁の間のせん断力により、MWCNT は印刷方向に沿って自然に整列した構造を形成しました。 XRD 結果により、MWCNT の配列が確認されました。整列した高充填剤充填は、熱伝達を大幅に促進するだけでなく、加熱時の構造的完全性の維持にも役立ちます。垂直配向 20 wt % MWCNT/PLA ナノ複合材料の面内熱伝導率は 35 °C で 0.575 W/(mK) であり、これは水平配向構造 (約 0.218 W/(mK)) の約 2.64 倍、同じ温度での純粋な PLA (0.098 W/(mK)) の約 5.87 倍です。ヒートシンク上で実行された赤外線熱画像により、マトリックスポリマーと比較したナノ複合材料の優れた性能が検証されます。本研究では、高い充填率と熱伝導率の大幅な向上を両立したMWCNT/PLAの積層造形を実現しました。この研究は、ヒートシンクや放熱器などの熱管理関連の用途向けに 3D プリントされたカーボンフィラー強化ポリマー複合材料を開発するための新しいアイデアを提供します。研究結果は、「スケーラブルな熱管理のための熱伝導性3Dプリントカーボンナノチューブ充填ポリマーナノ複合材料」というタイトルでACS Applied Nano Materialsに掲載されました。

図 1. MWCNT/PLA ナノ複合材料の FDM プロセス準備のフローチャート。
図 2. MWCNT/PLA ナノ複合材料の微細構造、粘度変化、貯蔵弾性率、損失弾性率の模式図。
図3. MWCNT/PLAナノ複合材料の光学構造、微細構造、XRD模式図。
図 4. MWCNT/PLA ナノ複合材料の TGA、熱伝導率、および熱管理特性の概略図。
出典: ACS アプライドナノマテリアルズ
オリジナル記事: https://doi.org/10.1021/acsanm.3c02067

3Dプリンティング/FDMプロセスによる熱伝導性MWCNT/PLAナノ複合材料の作製

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