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廣工閔永剛/黃錦濤團隊 ACHM:用于集成熱管理和電磁波吸收的高性能聚酰亞胺/聚吡咯-碳納米管@PCM復合材料
2025-01-10  來源:高分子科技

  隨著電子設(shè)備的不斷更新迭代,電子器件正逐漸朝著小型化和集成化方向發(fā)展。然而,由此產(chǎn)生的電磁波污染不僅會影響設(shè)備的正常運行,還會威脅人類健康。目前,電磁波吸收(Electromagnetic wave absorption, EWA)材料通過吸收電磁波來減輕或減弱電磁輻射及干擾。這是消除電磁污染的一種有效方法,并且已成為當前的研究和應(yīng)用熱點之一。不過,在吸收電磁波的過程中,EWA材料會產(chǎn)生大量熱量,而這些廢熱無法及時傳遞到電子設(shè)備外部,從而導致電子設(shè)備性能下降甚至出現(xiàn)故障。因此,研發(fā)兼具EWA和熱能存儲功能的材料迫在眉睫。從可控制備孔結(jié)構(gòu)出發(fā),加載聚吡咯-碳納米管的聚合物多孔材料,可以成功地構(gòu)建質(zhì)輕的導電網(wǎng)絡(luò)、提高熱能轉(zhuǎn)換效率,并儲存大量的相變材料(Phase change material, PCM,實現(xiàn)集成熱管理和卓越電磁波吸收性能。


  近日,廣東工業(yè)大學閔永剛/黃錦濤團隊將聚合物多孔材料和PCM結(jié)合并制備了一種具有熱管理和電磁波吸收的復合材料。在這項研究中,作者首先合成了聚吡咯納米管用作導電填料,再以二胺和二酐制備聚酰胺酸,經(jīng)過冷凍干燥和熱處理,構(gòu)建聚酰亞胺/聚吡咯-碳納米管多孔支架(PI/PPy-CNTs,以聚乙二醇(PEG)為相變熱管理材料,通過真空浸漬制備具有形狀穩(wěn)定性的復合材料PCPCCs(圖1。


1 聚酰亞胺/聚吡咯-碳納米管@PCM復合材料的制備流程


  通過樣品的熱重分析(TGA)曲線如圖2a)所示,PCPCCs具有良好的熱穩(wěn)定性,滿足充放熱應(yīng)用的要求。通過一系列的加熱-冷卻循環(huán)測試,對其熱可靠性進行了全面評估。如圖2b~d)所示,經(jīng)過300次循環(huán)后得到的差示掃描量熱(DSC)曲線幾乎完全一致。而且,相變焓和相變溫度的變化極小。初始相對焓效率有99.7%,循環(huán)后僅下降了1.4%,彰顯了其出色的儲能穩(wěn)定性。這些結(jié)果證實了其適用于長期的熱能儲存和管理應(yīng)用。


2 PCPCCs的熱穩(wěn)定性和可靠性


  如圖3a)所示,PCPCCs的熱導率提高至0.72 W/(m·K),相較于PEG提高了2.3倍。開展模擬光熱轉(zhuǎn)換實驗,如圖3b~f)所示。測試不同材料在整個光譜范圍內(nèi)的吸光度情況,加入PPy-CNTs后的PCPCCs具有最高吸光度,有望提高其光熱轉(zhuǎn)換效率。進一步地發(fā)現(xiàn),PCPCCs展現(xiàn)出快速的降溫響應(yīng),更長的相變平臺。而且,實現(xiàn)了高達92.9%的光熱轉(zhuǎn)換效率。因此,這些結(jié)果表明,PCPCCs具備較高的熱導率和光熱轉(zhuǎn)換效率,使其在熱能管理應(yīng)用中非常有效。


3 PCPCCs的熱管理性能


  其中,通過改變PPy-CNTs含量,PCPCCs可實現(xiàn)最小反射損耗為?42 dB。利用計算機仿真技術(shù)(CST),PCPCCs最小雷達散射截面值低至?42 dB m2,顯示其增強了衰減電磁信號的能力。因此,得益于多重反射、傳導損耗機制以及良好阻抗匹配的協(xié)同作用,PCPCCs具備了優(yōu)異的微波吸收性能。


4 PCPCCs的吸波性能


  綜上所述,該高性能聚酰亞胺/聚吡咯-碳納米管@PCM復合材料可應(yīng)用于集成熱管理和電磁波吸收一體化等領(lǐng)域。相關(guān)研究成果在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上在線發(fā)表,廣東工業(yè)大學為唯一單位,2023級材料科學與工程專業(yè)博士生曹琰為該工作第一作者。該研究得到了國家自然科學基金委和安徽省重點研究和開發(fā)計劃的支持。


  論文信息:

  Yan Cao, Zhaozhang Zhao, Xinfei Zeng, et al. High-performance Polyimide/Polypyrrole-CNTs@PEG composites for integrated thermal management and enhanced electromagnetic wave absorption [J]. Advanced Composites and Hybrid Materials8: 104 (2025). IF=23.2.

  論文鏈接:https://doi.org/10.1007/s42114-024-01202-z


作者介紹


曹琰,廣東工業(yè)大學2023級在讀博士。主要研究領(lǐng)域包括石墨導熱材料、碳電極材料、高分子管狀碳納米材料等先進功能材料。


黃錦濤,廣東工業(yè)大學副教授。中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽評審專家,中國汽車工業(yè)協(xié)會團體標準評審專家,廣東省級工程中心認定評審專家,廣東省大學生材料創(chuàng)新大賽評審專家,廣東高?萍汲晒D(zhuǎn)化中心專家。在Small、Biosensors and Bioelectronics、Chemical Engineering Journal、EnergyComposites Part A、Composites Part B等期刊發(fā)表SCI論文60余篇,其中第一/通訊作者論文40余篇,高被引/熱點論文7/5篇,論文被引用2800余次,H因子32;在Wiley等出版社以第一/通訊作者合著書籍章節(jié)3部,專利10余件。參與項目10余項,其中主持7項。


閔永剛,廣東工業(yè)大學教授,美國賓夕法尼亞大學博士,國家杰出青年科學基金獲得者。師從于2000年諾貝爾化學獎獲得者Alan G. MacDiarmid教授。擁有二十多年國際工作經(jīng)歷,先后在多家世界500強企業(yè)和美國著名學府擔任過多種技術(shù)職位,如:美國杜邦、IBM、英國帝國化學公司(威克斯)、法國圣戈班、美國賓西法尼亞大學、和俄亥俄州立大學等。致力于研究有機光電功能材料與器件(功能高分子材料、有機發(fā)光二極管、鈣鈦礦型太陽能電池),多維功能化石墨烯復合材料與應(yīng)用,高性能聚合物材料的合成與加工,節(jié)能環(huán)保和PM 2.5等。主持過多項美國國家標準局項目、美國國防部項目、美國國家科學基金項目、及中國國家基金項目,總項目經(jīng)費達數(shù)十億元。多次獲得美國國防部和美國制造協(xié)會科技成果獎、美國公司突出貢獻獎等。申報了一百余項中國和國際專利(其中四十多項已獲授權(quán)),科技文章一百余篇(總引用指數(shù):>2000,H-index為 22)。

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(責任編輯:xu)
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