韩国高丽大学《AFM》：由石墨烯气凝胶和超结构组成的多尺度多孔结构，使相变材料具有强大的热和机械功能

成果简介

使用相变材料（PCMs）的被动式热能储存系统有望解决从小型到大型平台的时空过热问题，但由于固液转换导致其形状稳定性差，从而导致 PCM 泄露和抗机械干扰能力弱，限制了实际应用。虽然泡沫稳定的 PCM 模板具有互补性，但它们在外部负载或冲击下会出现大量泄漏和液化 PCM 崩溃。本文，韩国高丽大学Wonjoon Choi《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊发表名为“Multiscale Porous Architecture Consisting of Graphene Aerogels and Metastructures Enabling Robust Thermal and Mechanical Functionalities of Phase Change Materials”的论文，研究报告了一种由石墨烯气凝胶（GAs）和元结构组成的多尺度多孔结构，可实现 PCMs 的强大热机械功能（3D-MPGA），从而实现可持续的相变热储能复合材料。

采用八位组桁架单元的 3D 打印机械超材料提供支撑强度和定向辅助泄漏减少，而 GA 用作具有表面界面接触的多孔模板，从而将石蜡作为 PCM 固定在其纳米/微孔内。3D-MPGA显示出块状相变材料的固有热特性，并改善了热-机械-化学稳定性，这通过超过10小时的长期加热-冷却循环测试得到证实。此外，它在环境温度和熔融温度下在低密度下表现出高度增强强度（200-5000%），并在液化相变材料中保持原始形状，而不会受到外部载荷的严重泄漏。这项工作启发了为基于 PCM 的热能存储系统推进强大的热机械功能的合理策略。

图文导读

图1、形状稳定、机械增强、3D 打印机械超材料与相变材料 （PCM） 相结合的石墨烯气凝胶 （3D-MPGA） 的示意图设计。这种多尺度设计结合了基于八位组桁架晶胞的晶格结构和微/纳孔石墨烯气凝胶 （GA），为 PCM 提供了双功能支撑结构，在确保热功能的同时，在固态和液态下充当机械坚固的骨架和稳定界面。

图2、3D-MPGA的制备工艺流程图

图3、GA、PGA 和 3D-MPGA 的结构、形态和界面分析

图4、PGA 和 3D-MPGA 在 PCM 固态和液态下对外部机械载荷的防漏和形状稳定性

图5、3D-MPGA性能，具有热和机械鲁棒性。

小结

综上所述，本研究开发了一种多功能的“3D-MPGA”作为相变材料的先进模板，具有高度提高的形状稳定性和对外部负载的保留。使用3D打印技术制造了采用八位组桁架晶胞的机械超材料，并使用冷冻干燥工艺将GA集成到3D晶格主链的多孔结构中。石蜡作为相变材料的真空渗透完成了3D-MPGA。与PGA相比，3D-MPGA在70°C下的强度提高了5000%以上，而其他热物理特性与石蜡相同。3D-MPGA 的潜热为 167.35 J g−1，与PGA相对应，仅下降了3.44%。

此外，在短（一个加热-冷却循环为5 min）和长（一个加热-冷却循环为1 h）的加热（70 °C）和冷却（25 °C）循环100次后，熔融潜热得以保持，确保了在时间温度变化期间的出色热稳定性。机械超材料的 3D 晶格主链支持液化 PCM 的机械刚度和方向驱动防泄漏。最后，通过考虑外部负载和温度变化的两种场景的实际演示，验证了3D-MPGA在相变材料熔点以上承受一定量的外部压缩，超过了气凝胶辅助相变材料的机械极限。开发的 3D-MPGA 在重复的固液转变期间提供机械和热功能的长期稳定性。此外，这种设计方法启发了一种合理而可行的策略，该策略结合了机械加固结构，以解决基于 PCM 的热管理系统中的形状稳定性和泄漏问题。

文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202405625