具有三維導熱骨架的先進相變材料(PCMs)在鋰電池熱管理方面具有廣闊的應用前景。然而，由于三維骨架中界面接觸連接較弱而產生的填料間較高的界面熱阻（ITR）仍然是一個具有挑戰性的問題。在此，我們展示了一種“碳焊接”策略，通過實現接觸石墨烯之間的晶格連接來減少3D石墨烯骨架中填料間的ITR。通常，在聚酰胺酸（PAA）的輔助下，通過單向冰模板組裝石墨烯納米板（GNP）來構建有序的3D石墨烯骨架。采用亞胺化和碳化處理在三維骨架中焊接相鄰的GNP。碳化聚酰亞胺（PI）和石墨烯的相似晶格結構可以顯著降低這些接觸區域的聲子散射和ITR。用聚乙二醇（PEG）浸泡后，得到了具有高效聲子傳輸通道的高性能PCMs。正如預期的那樣，制備的復合材料顯示出高導熱系數，最大值為7.032 W m
-1 K
-1 at ~11.6 vol% GNP，這是未碳化骨架復合材料的兩倍多。有限元模擬和非線性模型分析證實，在骨架中填料間ITR的減少是提高導熱系數的主要原因。此外，三維石墨烯骨架的存在可以有效地避免固-液相變過程中的泄漏，顯著提高PCMs的形狀穩定性。同時，石墨烯骨架賦予相變材料優良的太陽能熱轉換性能，保證了其在實際環境中的廣泛應用。
圖1. （a） PAA-GNP、PI-GNP和C-PI-GNP骨架的制作示意圖以及骨架中相應的連接機制；(b） 碳化處理前后PI-GNP骨架的數碼照片；（c）PAA-GNP、（d）PI-GNP和（e，f）C-PI-GNP骨架橫截面的SEM圖像。
圖2. GNP、PAA-GNP、PI-GNP和C-PI-GNP骨架的（a）FTIR和（b）XPS光譜；（c）亞胺化和碳化過程中分子結構演變的示意圖；GNP、PAA-GNP、PI-GNP和C-PI-GNP骨架的（d）XRD和WAXD（e）模式、（f）相應的半最大值全寬（FWHM）和（0 0 2）d間距；(g)拉曼光譜；（h）I
D/I
G和晶體尺寸的曲線；（i）GNP、PAA-GNP、PI-GNP和C-PI-GNP骨架二維帶的擬合峰。
圖3. （a）PI-GNP/PEG和C-PI-GNP/PEG的熱導率和（b）TC增強；(c)導熱系數與報告材料的比較；在加熱和冷卻狀態時的PEG、PI-GNP/PEG和C-PI-GNP/PEG復合材料的(d、f)紅外熱圖像和（e，g）相應的表面溫度變化。
圖4. （a）PI-GNP/PEG和（b）C-PI-GNP/PEG骨架中熱傳導過程的有限元數值模擬。基于（c）PI-GNP/PEG和（d）c-PI-GNP/PEG復合材料的實驗數據，建立具有不同指前因子的模型擬合曲線；(e)C-PI-GNP骨架中熱傳導機制的示意圖。
圖5. （a） C-PI-GNP/PEG復合材料在不同條件的熱臺上的數碼照片；(b） 在恒定壓縮載荷（4 N）下厚度隨溫度的變化；(c)PEG、PI-GNP/PEG和C-PI-GNP/PEG復合材料的DSC曲線；(d)不同C-PI-GNP/PEG樣品熔融焓的比較；(e)C-PI-GNP/PEG 1–20樣品的循環DSC曲線；(f)PEG、PI-GNP/PEG、C-PI-GNP/PEG復合材料的熱穩定性。
圖6. （a）C-PI-GNP/PEG在白天和夜間的熱量收集和釋放過程示意圖；在太陽模擬器輻射（250mW cm
-2）下PEG、PI-GNP/PEG和C-PI-GNP/PEG的（b）紅外熱像圖和（c）溫度演化曲線；（d）C-PI-GNP/PEG在不同光照下的溫度變化曲線。
相關研究成果由鄭州大學材料成型及模具技術教育部重點實驗室，國家先進高分子加工技術工程研究中心Meng jie Su課題組于2021年發表在Chemical Engineering Journal (https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131665)上。原文：Carbon welding on graphene skeleton for phase change composites with high thermal conductivity for solar-to-heat conversion。
轉自《石墨烯研究》
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