成果简介
本文，西安交通大学程志龙 副教授团队在《Carbon》期刊发表名为“PVA-assisted graphene aerogels composite phase change materials with anisotropic porous structure for thermal management”的论文，研究尝试将PVA和石墨烯片结合起来，构建各向异性的多孔结构，并在最大程度减少气凝胶填料负载的同时，实现高导热性的 PCM 封装。首先，通过水热还原和传统冷冻干燥法制备了不同含量比的 PVA/石墨烯气凝胶（PGAs），以研究 PVA 含量对 PGAs 形貌和化学结构的影响。然后，在 PVA 的最佳用量下，通过单向冷冻获得了沿纵向具有定向多孔结构的 PGA。通过 800 ℃高温退火和 2800 ℃石墨化来消除氧官能团并修复 PGA 的结构缺陷。
研究了热处理前后 PGA 的结构演变和元素组成。通过真空辅助浸渍法制备的气凝胶复合 PCM 具有更高的热导率和出色的 PCM 负载能力。对获得的 PGA/PW 热物理性质进行了表征，并记录了横向和纵向的热导率。最后，通过记录加热过程中的红外热成像图像，检验了复合材料的快速热响应性能，以证明其热性能得到了增强。本研究旨在提供一种构建用于封装 PCM 的各向异性气凝胶的有效策略，并确定 PVA/石墨烯材料组合在热管理应用中的巨大潜力。
图文导读
图1. (a) C-PGA 和 U-PGA 及其石蜡相变复合材料的制备示意图。(b-e) 相同放大倍数下 C-P0GA、C-P1GA、C-P2GA 和 C-P5GA 的扫描电镜图像。(f）不同 PVA/石墨烯含量比的 C-PGA 光学图像。(g）带有超轻重量的 C-P1GA 立在一朵花上。(h) 通过单向冷冻制备的 U-P1GA 的光学图像。(i) U-P1GA 的侧视和俯视扫描电镜图像。
图2：（a-b）GO 和气凝胶的 C 1s XPS 光谱和（c）宽扫描。(d) GO 和气凝胶的元素组成和 C/O 原子比。(e) GO 和气凝胶的拉曼光谱。(f) C-PGA、(g) C-PA800GA、(h) C-PA2800GA 和 U-PA2800GA 的拉曼图谱。(i) GO 和气凝胶的 ID/IG 值和晶体尺寸。(j-k) GO 和气凝胶的 XRD 图。
图3、气凝胶复合相变材料的热性能
图4、气凝胶及其复合材料的形状稳定性。
图5、复合相变材料的瞬态热响应。
小结
有效的热管理对于确保航天器系统在外太空极端条件下的寿命和功能至关重要。轻质气凝胶和高焓 PCM 的结合提供了一种高效的热调节策略。本文制备了 PVA/石墨烯气凝胶复合 PCM，以满足航天器热管理对低密度、高热焓和高热导率的高性能 PCM 的迫切需求。所提出的方法克服了石墨烯气凝胶含量低于 5 wt% 时各向异性 GAs 制备的困难，同时利用了环保型交联剂。该方法获得了 1/10 的最佳 PVA/ 石墨烯含量比，并通过单向冷冻构建了各向异性多孔结构。在单向冷冻过程中，石墨烯和 PVA 的结合促进了石墨烯片的定向组装。2800 °C的热退火可修复石墨烯片的缺陷，从而提高复合材料的导热性。在石墨烯气凝胶含量为 0.85 wt% 的超低条件下，制备的复合 PCM 与纯 PW 相比，热导率显著提高了370%，达到1.37Wm-1K-1。本研究中开发的PVA/石墨烯气凝胶复合PCM具有优异的性能，包括477的高比TCE、0.82 g cm-3 的低密度和 165Jg-1的高潜热焓。
文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119639
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