使用相變材料（PCM）的被動熱能存儲系統(tǒng)有望解決從小到大規(guī)模平臺的時空過熱問題，但由于固液轉(zhuǎn)變而導(dǎo)致其形狀穩(wěn)定性差，導(dǎo)致相變材料泄漏和對機(jī)械擾動的抵抗能力較弱，限制了實(shí)際應(yīng)用。雖然相變材料的泡沫穩(wěn)定模板已顯示出互補(bǔ)性，但它們揭示了液化相變材料在外部負(fù)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(jié)構(gòu)組成的多尺度多孔結(jié)構(gòu)，使 PCM（3D-MPGA）具有強(qiáng)大的熱機(jī)械功能，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的相變熱能存儲復(fù)合材料。采用八角桁架單元的 3D 打印機(jī)械超材料提供支撐強(qiáng)度并定向輔助泄漏減少，而 GA 充當(dāng)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(nèi)。 3D-MPGA 顯示了塊狀 PCM 的固有熱特性以及改進(jìn)的熱機(jī)械化學(xué)穩(wěn)定性，這已通過 10 小時以上的長期加熱-冷卻循環(huán)測試得到證實(shí)。此外，它在環(huán)境溫度和熔化溫度下以低密度表現(xiàn)出高度增強(qiáng)的強(qiáng)度（200-5000%），并且在外部負(fù)載下保持液化相變材料的原始形狀，而不會出現(xiàn)嚴(yán)重泄漏。這項(xiàng)工作激發(fā)了合理的策略，以推進(jìn)基于 PCM 的熱能存儲系統(tǒng)的強(qiáng)大熱機(jī)械功能。
圖 1. 形狀穩(wěn)定、機(jī)械增強(qiáng)、3D 打印機(jī)械超材料與相變材料 (PCM) 結(jié)合的石墨烯氣凝膠 (3D-MPGA) 的示意圖。多尺度設(shè)計結(jié)合了基于八角桁架單元的晶格結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，作為機(jī)械堅(jiān)固的主干，在固態(tài)和液態(tài)下穩(wěn)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(shù)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(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)、形態(tài)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(wěn)定性。 a) 石蠟、PGA 和 3D-MPGA 在 5 至 80 °C 范圍內(nèi)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(yīng)的導(dǎo)數(shù)熱重 (DTG) 熱分析圖。 d）3D-MPGA在5-80°C下100個循環(huán)之前和之后的DSC曲線。 e) 石蠟、GA 和 3D-MPGA 在 100 次循環(huán)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(tài)和液態(tài) PCM 中針對外部機(jī)械負(fù)載的防泄漏和形狀穩(wěn)定性。 a) PGA 和 3D-MPGA 在 25 和 70 °C 下 30 個熱循環(huán)（每次 5 分鐘）的 PCM 泄漏率。 b) PGA 和 3D-MPGA 在 70 °C 下 12 小時內(nèi)的 PCM 泄漏率。 c) PGA 和 3D-MPGA 在 25 和 70 °C 下經(jīng)過 10 個每次 5 分鐘的熱循環(huán)，承受 1 kg 的機(jī)械負(fù)載時的 PCM 泄漏率。 d) 3D-MPGA 和 e) PGA 的機(jī)械壓縮測試照片，以及 f) 25 °C 下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 g) 3D-MPGA 和 h) PGA 的機(jī)械壓縮測試照片，以及 i) 70 °C 下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
圖6. 3D-MPGA 性能以及熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)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(tài)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(jī)械負(fù)載下的照片。機(jī)械負(fù)載移除后，e) 3D-MPGA 和 f) PGA 的剩余結(jié)構(gòu)。 3D-MPGA 和其他采用 PCM 支撐結(jié)構(gòu)的文獻(xiàn)的性能比較，在 25 °C 下 10% 應(yīng)變 g) 和 h) 超過 PCM 熔化溫度時的潛熱和應(yīng)力方面進(jìn)行比較。[52-57] 插圖該圖表示 10% 應(yīng)變下應(yīng)力的對數(shù)圖。
相關(guān)科研成果由高麗大學(xué)Wonjoon Choi等人于2024年發(fā)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(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
