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高麗大學Wonjoon Choi等--由石墨烯氣凝膠和超結構組成的多尺度多孔結構使相變材料具有強大的熱和機械功能
       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
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