来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202506229

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背景介绍

随着全球能源需求的持续增长，发展有效的能源储存和利用方法对于可持续进步变得至关重要，热能存储在当代社会中起着至关重要的作用。相变材料（PCMs）为热能储存和热管理提供了一种经济高效的解决方案，然而，常见的固-液相变材料在相变过程中面临液体泄漏和固有热导率低等挑战，限制了它们的更广泛应用。为了缓解这些问题，人们在开发形状稳定的导热相变复合材料（PCCs）方面取得了进展，通过引入支撑基质和导热填料来实现。然而，低热导率、液体泄漏、固体刚性和较差的可回收性等问题阻碍了其实用化进程。

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成果掠影

近日，南京航空航天大学宣益民院士团队联合上海交通大学李廷贤团队，提出一种用于制造高导热性、柔性和可回收的基于聚合物的相变复合材料的简便策略。通过物理交联的双聚合物网络，赋予PCC薄膜优异的潜热、可调节的机械应力、热再生能力和可回收利用性。通过利用剪切诱导的石墨纳米片（GNPs）排列，所提出的PCC薄膜在GNP负载量为10 wt%时表现出显著的热导率6.24 W/mK，实现了302%的热导率增强效率。此外，基于柔性PCCs的能源设备在电子设备和可穿戴热管理中展示了有效的热调节。研究成果以“Flexible, Recyclable, and Highly Conductive Self-Healing Polymer-Based Phase Change Films for Thermal Management”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊。

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图文导读

图1.PCC的设计与组装示意图。a)通过熔融共混技术将石墨纳米片(GNPs)均匀分散在相变材料基质(PW-SEBS/POE)中，然后通过刮涂工艺获得具有高度取向层状结构的PCC薄膜。b)将薄PCC薄膜堆叠并热压，制备出致密的PCC块体。

图2.石墨纳米片(GNPs)和相变复合材料(PCCs)的形貌与结构表征。a)大尺寸GNPs的扫描电子显微镜(SEM)图像，底部为大尺寸GNPs的横向尺寸分布。b)典型大尺寸GNPs的原子力显微镜(AFM)图像。c)通过刮涂法制备的PCC薄膜样品的数码照片。d)PCC块体样品的数码照片。e)通过熔融共混法制备的PCC横截面SEM图像，插图为相应的二维小角X射线散射(2DSAXS)图案。f–h)刮涂高度分别为200、100和50μm时制备的PCC横截面SEM图像，插图为相应的2DSAXS图案。i)石蜡(PW)、SEBS、POE、GNPs、PCC-0（无GNPs的PCC）和刮涂PCC-10样品的X射线衍射(XRD)光谱结果。j–l)X射线束分别照射顶面和横截面时，不同刮涂高度的PCC样品的XRD光谱结果。

图3.PCCs的热导率和电导率。a)不同GNPs负载量PCCs的各向异性热导率b)不同GNPs负载量PCCs的热导率随刮涂高度的变化关系。c)循环加热-冷却测试中热导率的变化情况。d)本研究PCCs与已报道GNPs基PCCs的热导率及理论计算结果对比。e)本研究与先前文献中报道的PCCs在热导率和热调控能量效率(TCEE)方面的对比f)不同GNPs负载量PCCs的电导率。g)不同GNPs负载量PCCs的电导率随刮涂高度的变化关系h)协调与非协调热传导条件下PCC块体(15×15×15 mm)的温度分布曲线。插图为加热过程示意图及0至680秒内PCCs对应的红外图像，加热板温度维持在90°C。

图4.PCCs的相变性能和热稳定性。a)石蜡(PW)及不同GNPs含量PCC样品的差示扫描量热(DSC)曲线。b)不同GNPs含量PCC样品的相变焓及相应焓效率。c)本研究PCC与最新研究中柔性PCCs的品质因数(FOM)和热导率对比。d)PCC-10在不同循环次数下的熔融和凝固焓。e)PW、PCC、SEBS和POE的热重分析(TGA)曲线。f)PCCs的防漏性能和泡沫稳定性测试（在80°C加热平台上进行）。g)500次热循环前后PCC-10的傅里叶变换红外光谱(FT-IR)曲线。

图5.PCCs的机械性能与自修复性能。a)PCC-10薄膜的机械强度。b)PCC-10薄膜的折纸折叠性，及c)易成型性。d)循环弯曲测试示意图，样品被夹在聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜之间。e)面内热导率随弯曲循环次数的变化（PCC-10薄膜）。f)不同刮涂高度下PCC-10的应力-应变曲线。g)刮涂高度为50μm时制备的不同GNPs负载量PCC薄膜的应力-应变曲线。h)PCC-10在95°C下自修复25分钟前后的光学和扫描电子显微镜(SEM)图像。i)PCC-10在不同修复时间下的应力-应变曲线。j)不同修复时间下PCCs的修复效率对比。k)雷达图对比了本研究PCC与已报道PCCs在热导率、柔韧性、可回收性、可扩展性和成本方面的表现（各指标以最大值归一化）。

图6.热管理性能。a)装配和未装配PCC的LED芯片及商用18650锂离子电池单体示意图。b)有/无PCC散热器的LED芯片表面温度变化，及c)相应的红外图像。d)连续充放电过程中有/无PCC包裹的电池表面温度变化，及e)相应的红外图像。f)基于PCC的太阳能-热能驱动和电能-热能驱动可穿戴热管理示意图。g)PCC-10在不同模拟太阳辐射下的温度变化。h)PCC-10在不同驱动电压下的温度变化。i)人体模型表面黑色皮革与PCC-10薄膜在100W/m²模拟太阳辐射下的温度变化对比，插图为黑色皮革和PCC-10薄膜的数码照片及红外图像。j)3.5V电压下人体模型表面PCC-10薄膜的温度变化，插图为附着于人体模型的PCC-10薄膜数码照片及红外图像。