使用相變材料（PCM）的被動熱能存儲系統有望解決從小到大規模平臺的時空過熱問題，但由于固液轉變而導致其形狀穩定性差，導致相變材料泄漏和對機械擾動的抵抗能力較弱，限制了實際應用。雖然相變材料的泡沫穩定模板已顯示出互補性，但它們揭示了液化相變材料在外部負載或沖擊下的大量泄漏和塌陷。本文報道了一種由石墨烯氣凝膠（GA）和元結構組成的多尺度多孔結構，使 PCM（3D-MPGA）具有強大的熱機械功能，從而實現可持續的相變熱能存儲復合材料。采用八角桁架單元的 3D 打印機械超材料提供支撐強度并定向輔助泄漏減少，而 GA 充當具有表面界面接觸的多孔模板，從而將石蠟作為 PCM 固定在其納米/微孔內。 3D-MPGA 顯示了塊狀 PCM 的固有熱特性以及改進的熱機械化學穩定性，這已通過 10 小時以上的長期加熱-冷卻循環測試得到證實。此外，它在環境溫度和熔化溫度下以低密度表現出高度增強的強度（200-5000%），并且在外部負載下保持液化相變材料的原始形狀，而不會出現嚴重泄漏。這項工作激發了合理的策略，以推進基于 PCM 的熱能存儲系統的強大熱機械功能。
圖 1. 形狀穩定、機械增強、3D 打印機械超材料與相變材料 (PCM) 結合的石墨烯氣凝膠 (3D-MPGA) 的示意圖。多尺度設計結合了基于八角桁架單元的晶格結構和微/納米孔石墨烯氣凝膠（GA），為相變材料提供了雙重功能的支撐結構，作為機械堅固的主干，在固態和液態下穩定界面，同時確保熱功能。
圖2. 3D-MPGA 的制造過程。使用3D打印技術制造基于八位桁架晶胞的晶格，并使用水熱工藝在八位桁架晶格結構內直接合成還原氧化石墨烯（RGO）水凝膠，從而將RGO水凝膠納入八位體桁架結構。順序冷凍干燥完成了石墨烯氣凝膠 (GA) 和 3D 打印的八角桁架結構的混合結構。最后，采用真空浸漬法將PCM（石蠟）滲透到GA中，得到3D-MPGA。
圖 3. GA、PGA 和 3D-MPGA 的結構、形態和界面分析。 a–c) GA、d–f) PGA 和 g–i) 3D-MPGA 的照片和掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。 3D 打印骨架和 GA 之間的界面接觸，使用 j) 立體光刻 (SLA) 和 k) 熔融沉積方法 (FDM) 制造。
圖 4. 石蠟、GA、PGA 和 3D-MPGA 的熱特性和穩定性。 a) 石蠟、PGA 和 3D-MPGA 在 5 至 80 °C 范圍內的差示掃描量熱 (DSC) 曲線。 b) 熱重分析 (TGA) 和 c) 25 至 500 °C 下石蠟、GA 和 PGA 相應的導數熱重 (DTG) 熱分析圖。 d）3D-MPGA在5-80°C下100個循環之前和之后的DSC曲線。 e) 石蠟、GA 和 3D-MPGA 在 100 次循環之前和之后的傅里葉變換紅外光譜 (FT-IR) 分析。
圖5. PGA 和 3D-MPGA 在固態和液態 PCM 中針對外部機械負載的防泄漏和形狀穩定性。 a) PGA 和 3D-MPGA 在 25 和 70 °C 下 30 個熱循環（每次 5 分鐘）的 PCM 泄漏率。 b) PGA 和 3D-MPGA 在 70 °C 下 12 小時內的 PCM 泄漏率。 c) PGA 和 3D-MPGA 在 25 和 70 °C 下經過 10 個每次 5 分鐘的熱循環，承受 1 kg 的機械負載時的 PCM 泄漏率。 d) 3D-MPGA 和 e) PGA 的機械壓縮測試照片，以及 f) 25 °C 下的壓縮應力-應變曲線。 g) 3D-MPGA 和 h) PGA 的機械壓縮測試照片，以及 i) 70 °C 下的壓縮應力-應變曲線。
圖6. 3D-MPGA 性能以及熱穩定性和機械穩定性。使用熱板在 a) 40 °C 和 b) 70 °C 加熱配置中石蠟、PGA 和 3D-MPGA 的瞬態溫度和形狀變化的熱紅外 (IR) 圖像。 c) 3D-MPGA 和 d) PGA 在 70 °C 的加熱配置和 1 kg 機械負載下的照片。機械負載移除后，e) 3D-MPGA 和 f) PGA 的剩余結構。 3D-MPGA 和其他采用 PCM 支撐結構的文獻的性能比較，在 25 °C 下 10% 應變 g) 和 h) 超過 PCM 熔化溫度時的潛熱和應力方面進行比較。[52-57] 插圖該圖表示 10% 應變下應力的對數圖。
相關科研成果由高麗大學Wonjoon Choi等人于2024年發表在Advanced Functional Materials（https://doi.org/10.1002/adfm.202405625）上。原文：Multiscale Porous Architecture Consisting of Graphene Aerogels and Metastructures Enabling Robust Thermal and Mechanical Functionalities of Phase Change Materials
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202405625
轉自《石墨烯研究》公眾號
