郑州大学国家先进高分子加工技术工程研究中心--用于太阳能热转换的高导热相变复合材料石墨烯骨架上的碳焊接
具有三维导热骨架的先进相变材料(PCMs)在锂电池热管理方面具有广阔的应用前景。然而，由于三维骨架中界面接触连接较弱而产生的填料间较高的界面热阻（ITR）仍然是一个具有挑战性的问题。在此，我们展示了一种“碳焊接”策略，通过实现接触石墨烯之间的晶格连接来减少3D石墨烯骨架中填料间的ITR。通常，在聚酰胺酸（PAA）的辅助下，通过单向冰模板组装石墨烯纳米板（GNP）来构建有序的3D石墨烯骨架。采用亚胺化和碳化处理在三维骨架中焊接相邻的GNP。碳化聚酰亚胺（PI）和石墨烯的相似晶格结构可以显著降低这些接触区域的声子散射和ITR。用聚乙烯醇（PEG）浸泡后，得到了具有高效声子传输通道的高性能PCMs。正如预期的那样，制备的复合材料显示出高导热系数，最大值为7.032 W m-1 K-1 at ~11.6 vol% GNP，这是未碳化骨架复合材料的两倍多。有限元模拟和非线性模型分析证实，在骨架中填料间ITR的减少是提高导热系数的主要原因。此外，三维石墨烯骨架的存在可以有效地避免固-液相变过程中的泄漏，显著提高PCMs的形状稳定性。同时，石墨烯骨架赋予相变材料优良的太阳能热转换性能，保证了其在实际环境中的广泛应用。
图1. （a） PAA-GNP、PI-GNP和C-PI-GNP骨架的制作示意图以及骨架中相应的连接机制；(b） 碳化处理前后PI-GNP骨架的数码照片；（c）PAA-GNP、（d）PI-GNP和（e，f）C-PI-GNP骨架横截面的SEM图像。
图2. GNP、PAA-GNP、PI-GNP和C-PI-GNP骨架的（a）FTIR和（b）XPS光谱；（c）亚胺化和碳化过程中分子结构演变的示意图；GNP、PAA-GNP、PI-GNP和C-PI-GNP骨架的（d）XRD和WAXD（e）模式、（f）相应的半最大值全宽（FWHM）和（0 0 2）d间距；(g)拉曼光谱；（h）ID/IG和晶体尺寸的曲线；（i）GNP、PAA-GNP、PI-GNP和C-PI-GNP骨架二维带的拟合峰。
图3. （a）PI-GNP/PEG和C-PI-GNP/PEG的热导率和（b）TC增强；(c)导热系数与报告材料的比较；在加热和冷却状态时的PEG、PI-GNP/PEG和C-PI-GNP/PEG复合材料的(d、f)红外热图像和（e，g）相应的表面温度变化。
图4. （a）PI-GNP/PEG和（b）C-PI-GNP/PEG骨架中热传导过程的有限元数值模拟。基于（c）PI-GNP/PEG和（d）c-PI-GNP/PEG复合材料的实验数据，建立具有不同指前因子的模型拟合曲线；(e)C-PI-GNP骨架中热传导机制的示意图。
图5. （a） C-PI-GNP/PEG复合材料在不同条件的热台上的数码照片；(b） 在恒定压缩载荷（4 N）下厚度随温度的变化；(c)PEG、PI-GNP/PEG和C-PI-GNP/PEG复合材料的DSC曲线；(d)不同C-PI-GNP/PEG样品熔融焓的比较；(e)C-PI-GNP/PEG 1–20样品的循环DSC曲线；(f)PEG、PI-GNP/PEG、C-PI-GNP/PEG复合材料的热稳定性。
图6. （a）C-PI-GNP/PEG在白天和夜间的热量收集和释放过程示意图；在太阳模拟器辐射（250mW cm-2）下PEG、PI-GNP/PEG和C-PI-GNP/PEG的（b）红外热像图和（c）温度演化曲线；（d）C-PI-GNP/PEG在不同光照下的温度变化曲线。
相关研究成果由郑州大学材料成型及模具技术教育部重点实验室，国家先进高分子加工技术工程研究中心Meng jie Su课题组于2021年发表在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。