上海交通大學(xué)王如竹課題組--大尺寸定向石墨片構(gòu)建高性能熱傳導(dǎo)相變復(fù)合材料

利用相變材料(PCMs)進(jìn)行高效的熱能收集，在成本效益高的熱能管理和儲(chǔ)能應(yīng)用方面具有巨大的潛力。然而，PCMs (K_PCM)的低熱導(dǎo)率是高功率密度能量收集的長(zhǎng)期瓶頸。盡管增強(qiáng)PCM基納米復(fù)合材料的導(dǎo)熱性可以解決這一問(wèn)題，但要在填充量低于50%的情況下獲得更高的K (>10 W m⁻¹K⁻¹)仍然具有挑戰(zhàn)性。本文通過(guò)壓縮誘導(dǎo)，在相變復(fù)合材料(PCCs)內(nèi)部大尺寸排列石墨片結(jié)構(gòu)來(lái)合成出高導(dǎo)熱PCCs。毫米大小的石墨片由微/納米級(jí)的范德華力鍵合和定向石墨納米片組成，與片之間的薄PCM層協(xié)同作用，當(dāng)石墨負(fù)荷低于40.0 wt%時(shí)，在4.4-35.0 W m⁻¹ K⁻¹范圍內(nèi)可增強(qiáng)K_PCM。所得的PCC還顯示出均勻性，無(wú)泄漏和出色的相變行為，可以通過(guò)將薄片的方向與熱傳輸方向進(jìn)行協(xié)調(diào)，可輕松地設(shè)計(jì)出有效收集熱能的設(shè)備。所得PCCs還表現(xiàn)出均勻性、無(wú)泄漏和優(yōu)越的相變行為，通過(guò)協(xié)調(diào)薄片方向和熱傳輸方向，可將其設(shè)計(jì)成有效的熱能收集裝置。該方法為PCMs在高功率、高密度、低成本的大規(guī)模熱能存儲(chǔ)、電子器件熱管理等領(lǐng)域的應(yīng)用，提供了一條有前景的途徑。

Figure 1合成PCCs和構(gòu)建大尺寸定向石墨片的示意圖。

Figure 2 基于SA的PCC的形貌和結(jié)構(gòu)表征。 a)石墨夾層化合物的SEM圖。 b) WEG的SEM圖。c)具有SA涂層的WEG的微觀結(jié)構(gòu)。d)石墨層間化合物、WEG、WEG與SA顆粒粘附、WEG與SA涂層、壓縮復(fù)合圓盤的照片(從左至右)。e)不同厚度組合塊的數(shù)碼照片。f)側(cè)視圖破碎復(fù)合塊的SEM圖。 g)將PCM從復(fù)合塊中移除后，三維排序且互連的GNP框架的SEM圖。WEG, SA和WEG/SA復(fù)合材料的h) XRD圖和i) FT-IR光譜圖。j)石墨負(fù)載量為20.0 wt%時(shí)，原始WEG和帶有SA涂層的WEG的N₂等溫吸附曲線。

Figure 3 壓縮石墨塊和復(fù)合塊在室溫下的面內(nèi)導(dǎo)熱特性。 a)四種壓縮石墨塊的面內(nèi)TCs作為填充密度的函數(shù)。b)壓縮WEG的配置圖。WEG塊在c)低和d)高填料密度下的SEM圖。e) WEG/SA和15-WEG/SA復(fù)合塊的面內(nèi)TCs作為石墨負(fù)載的函數(shù)。f)復(fù)合材料內(nèi)部熱傳導(dǎo)平行模型示意圖。g)最新文獻(xiàn)中PCCs的熱擴(kuò)散系數(shù)與TC的比較。

Figure 4 熱管理和能量存儲(chǔ)應(yīng)用。a)協(xié)調(diào)導(dǎo)熱與非協(xié)調(diào)導(dǎo)熱的比較。b)測(cè)點(diǎn)溫度分布圖。c)熱能收集裝置熱量設(shè)計(jì)示意圖。d)熱能收集裝置的熱容量穩(wěn)定性。e)兩種電池單體的溫度分布。

相關(guān)研究成果于2019年上海交通大學(xué)王如竹課題組，發(fā)表在Advanced Materials (https://doi.org/10.1002/adma.201905099)上。原文：High-Performance Thermally Conductive Phase Change Composites by Large-Size Oriented Graphite Sheets for Scalable Thermal Energy Harvesting



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