专栏名称: 材料分析与应用
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中科院金属所《Carbon》:单壁碳纳米管无纺布相变混合材料,用于可穿戴热管理

材料分析与应用  · 公众号  ·  · 2025-01-24 16:35

正文


1 成果简介



固液相变材料(PCMs)被认为是能源储存和转换设备的理想候选材料。然而,液相泄漏、热导率低、电/太阳能热转换能力差等缺点限制了它们的实际应用。 本文, 中国 科学院金 属研究所 刘畅 研究员团队在《Carbon 》期刊 发表名为“ A single-wall carbon nanotube non-woven fabric-phase change material hybrid for wearable thermal m anagement”的论文 ,研究提出 一种新型柔性单壁碳纳米管无纺布(SWNWF)具有很高的机械和电气性能以及大量相互连接的微孔,可用作骨架来制造柔性和机械稳定的PCM。


聚乙二醇 (PEG) 具有较高的相变焓和可调的相变温度范围,可通过简单、低成本的浸渍方法可控地填充到SWNWF基质中。 相互连接的微孔赋予了 SWNWF 较高的PEG浸渍效率和防漏能力。 得到的 SWNWF@PEG混合PCM 保留了SWNWF的良好柔韧性,而SWNWF的三维网络结构则赋予了混合 PCM优异的导电、导热和防漏能力。 因此,柔性混合 PCM 薄膜显示出125.5J g-1 的高潜热、长达 100 次循环的长期稳定性、高度的机械柔韧性以及显著的形状可定制性和可折叠性。 此外,以柔性 PCM 薄膜为载体构建的可穿戴热管理装置不仅具有极高的电转换效率(仅1.5V时为64%),还具有出色的太阳能热能力。 这种 “形状稳定 ”的柔性多功能膜基PCM重量轻,有望应用于个性化健康监测、人体运动检测和热疗等电子设备中。

2 图文导读


图1.SWNWF@PEG薄膜制造过程的示意图。


图2. (a) Photograph of SWNWFs supported by leaves showing their light-weight characteristics; (b) Low-magnification SEM image of SWNWF; (c-d) Photographs of SWNWF@PEG showing their good flexibility and tailorability; SEM images of the (e) surface and (f) cross-section of SWNWF@PEG.


图3. (a) Stress-strain curves of SWNWF and SWNWF@PEG; (b) Schematic showing the “welding” function of PEG at fiber-fiber junctions; Photographs showing the shape stability of (c) PEG and (d) SWNWF@PEG at 85 °C for 0 min, 7 min, and 1h.


图4. (a) DSC curves of PEG, SWNWF, and SWNWF@PEG; (b) A comparison of the stress and melting enthalpy of our SWNWF@PEG with those of previously reported composite PCMs; (c) XRD spectra of SWNWF@PEG under different temperatures; (d) DSC curves of SWNWF@PEG after 1, 50, and 100 heating-cooling cycles; (e) TG curves of the SWNWF and SWNWF@PEG.


图5 (a) Temperature−time curves of SWNWF@PEG under applied voltages of 1-1.5 V; (b) Electro-thermal conversion efficiency at different voltages; (c) Temperature−time curves of SWNWF@PEG under 1.1 V for 1st, 50th, and 100th cycles; (d) Photograph and (e) IR image of the SWNWF@PEG film circling on a finger as a flexible electro-thermal device charged by a 1.5 V battery, and the corresponding (f) temperature–time evolution curve during heating and cooling process.


图6、(a) UV-Vis-NIR absorption spectra of PEG, SWNWF and SWNWF@PEG hybrid film; (b) Temperature-time curves of SWNWF@PEG hybrid film under different light intensities; (c) Solar-thermal conversion rates of SWNWF and SWNWF@PEG under different light intensities; (d) An infrared image of charged phase change film on a human wrist.


3 小结


以具有相互连接的三维多孔结构、高机械强度和高导电率的柔性 SWCNT 纤维无纺布为骨架,以PEG为载体。通过简单的浸渍法制备出的 SWNWF@PEG混合材料不仅具有高达200 ℃的抗漏电能力、优异的柔韧性和可定制性,还具有很高的电热存储和转换能力,以及在低电压范围(1-1.5 V)下优异的相变循环稳定性。得益于SWNWF的高太阳能吸收能力,所获得的 SWNWF@PEG混合物在200mW/cm2光照强度下的光热转换率为0.4 ℃/s,光热转换效率高达71.8%。多功能SWNWF@PEG混合PCM具有良好的灵活性,可用于各种便携式和可穿戴热管理设备。



文献:

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120027

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