自组装单分子层调控界面热输运的研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.04.011

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (4): 60-69.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.04.011

自组装单分子层调控界面热输运的研究进展

宋立健¹, 张有忱¹(), 左夏华¹, 张政和¹, 安瑛¹, 杨卫民¹^,², 谭晶¹^,², 程礼盛¹^,²()

^1.北京化工大学机电工程学院，北京 100029
^2.北京化工大学有机?无机复合材料国家重点实验室，北京 100029

收稿日期:2021-11-08 出版日期:2022-04-26 发布日期:2022-04-24
通讯作者: 程礼盛（1982-），男，副教授，从事高聚物加工成型及微尺度计算，chengls@mail.buct.edu.cn
张有忱，中共党员，工学博士，教授，博士生导师，从事的研究方向有：机械设计及理论、聚合物加工成型、熔体静电纺丝，zhangyc@mail.buct.edu.cn
E-mail:zhangyc@mail.buct.edu.cn;chengls@mail.buct.edu.cn

Research progress on interfacial thermal transport controlled by self⁃assembled monolayers

SONG Lijian¹, ZHANG Youchen¹(), ZUO Xiahua¹, ZHANG Zhenghe¹, AN Ying¹, YANG Weimin¹^,², TAN Jing¹^,², CHENG Lisheng¹^,²()

^1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China
^2.State Key Laboratory of Organic?Inorganic Composites，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China

Received:2021-11-08 Online:2022-04-26 Published:2022-04-24
Contact: ZHANG Youchen, CHENG Lisheng E-mail:zhangyc@mail.buct.edu.cn;chengls@mail.buct.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

从微观角度出发，综述了自组装单分子层（SAM）在调控软?硬材料界面热输运方面的研究进展，介绍了SAM的传热机理，系统总结了SAM的微观结构对界面热导的影响规律，探讨了SAM的密度、长度、末端官能团等因素对界面热阻或界面热导的影响机理。此外还介绍了目前SAM在聚合物基导热复合材料中的研究，并展望了未来SAM在界面热输运的研究方向。

关键词: 界面热输运, 自组装单分子层, 界面热阻, 界面热导, 聚合物基复合材料

Abstract:

This reviewed the research progress in the heat transfer control of the soft?hard interfaces through self?assembled monolayers （SAM） in the microscopic viewpoint. The heat transfer mechanisms of SAM were introduced and its structure?thermal conductance relations were summarized systematically. The influential factors such as coverage density， length， and terminal functional group of the SAM on the interfacial thermal conductance were discussed. In addition， the current research status of SAM in the polymer?based thermal composites was introduced， and its future research directions of in interfacial heat transfer were prospected.

Key words: interfacial heat transfer, self?assembled monolayer, thermal resistance, thermal conductance, polymer?based composite

中图分类号:

TQ320.66

宋立健, 张有忱, 左夏华, 张政和, 安瑛, 杨卫民, 谭晶, 程礼盛. 自组装单分子层调控界面热输运的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 60-69.

SONG Lijian, ZHANG Youchen, ZUO Xiahua, ZHANG Zhenghe, AN Ying, YANG Weimin, TAN Jing, CHENG Lisheng. Research progress on interfacial thermal transport controlled by self⁃assembled monolayers[J]. China Plastics, 2022, 36(4): 60-69.

图/表 13

图1 SAM的结构示意图（a）及SAM功能化和未功能化硬材料表面的温度场分布［（b）~（c）］

Fig.1 Schematic illustration of SAM grafted on hard materials（a） and temperature file with SAM and without SAM， respectively［（b）~（c）］

图2 热流密度在SAM和正十二烷溶剂中的分解（a）及热量在SAM和正十二烷中流动示意图：SAM结构有序，正十二烷结构无序（b）

Fig.2 Decomposition of heat flux in SAM and n?dodecane solvents（a） and schematic diagram of heat flow in SAM and n?dodecane： the structure of SAM is ordered， the structure of n?dodecane is disordered （b）

图3 界面热导和SAM接枝密度的关系

Fig.3 Thermal conductance with different SAM coverage

图 4 施加的热通量和温度分布示意图（a）和不同软材料体系下不同SAM覆盖率的热导（b）

Fig.4 Schematic illustration of heat flux imposing and temperature distribution （a） and thermal conductance with different SAM coverage under different soft materials system （b）

图5 不同SAM链长的简正模式密度分布（a）及SAM链长和Gh-SAM的关系（b）

Fig.5 The vibrational density of normal modes of SAM with different chain length （a） and thermal conductance as a function of the number of methylene groups forming the backbone of the SAM （b）

图6 SAM的界面热导和链长的关系

Fig.6 Thermal conductance of SAM as a function of chain length

图7 SAM不同链长下振动态密度的分布（a）及SAM链长和Gtotal的关系（b）

Fig.7 Vibrational power spectra of gold， PE and SAM with different chain length（a） and thermal conductance of bare gold and SAM functionalized gold surfaces with different chain length （b）

图8 SAM异质链长的结构示意图

Fig.8 Schematic illustration of mix?chains SAM

图9 异质链长下界面结合能和界面热导的关系

Fig.9 Thermal conductance as a function of interface potential with different mix?chains SAM

图10 不同长链比的示意图：75 % C4/25 % C12 （图顶部）和 25 % C4/75 % C12 （图底部）（a）及界面热导和长链占比间的关系（b）

Fig.10 Schematic illustration of 75 % C4/25 % C12 （top panel） and 25 % C4/75 % C12 （bottom panel）（a） and thermal conductance of mixed chains has a nonmonotonic dependence on the fraction of long chains（b）

图11 将界面热导分解为L?J相互作用（灰色部分）和静电相互作用（明亮部分）的贡献

Fig.11 Decomposition of thermal conductance into contributions from the L?J interaction （the grayed portion） and electrostatic interactions （the bright portion）

图12 4种SAM相对于软材料并五苯分子的RDF：—CH3基团、—CH2NH2基团、—CH2OH基团和—COOH基团

Fig.12 RDFs of four representative groups on SAMs （-CH3 group， -CH2NH2 group， -CH2OH group， and -COOH group） with respect to atoms in pentacene molecules

图13 SAM在聚合物基导热复合材料中的研究

Fig.13 Research on SAM in polymer?based thermal conductive composites

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Research progress on interfacial thermal transport controlled by self⁃assembled monolayers

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