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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展。然而,由此產生的電磁波污染不僅會影響設備的正常運行,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用熱點之一。不過,在吸收電磁波的過程中,EWA材料會產生大量熱量,而這些廢熱無法及時傳遞到電子設備外部,從而導致電子設備性能下降甚至出現故障。因此,研發兼具EWA和熱能存儲功能的材料迫在眉睫從可控制備孔結構出發,加載聚吡咯-碳納米管的聚合物多孔材料,可以成功地構建質輕的導電網絡、提高熱能轉換效率,并儲存大量的相變材料(Phase change material, PCM,實現集成熱管理和卓越電磁波吸收性能。


  近日,廣東工業大學閔永剛/黃錦濤團隊將聚合物多孔材料和PCM結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,經過冷凍干燥和熱處理,構建聚酰亞胺/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具有良好的熱穩定性,滿足充放熱應用的要求。通過一系列的加熱-冷卻循環測試,對其熱可靠性進行了全面評估。如圖2b~d)所示,經過300次循環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%循環后僅下降了1.4%,彰顯了其出色的儲能穩定性。這些結果證實了其適用于長期的熱能儲存和管理應用。


2 PCPCCs的熱穩定性和可靠性


  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。開展模擬光熱轉換實驗,如圖3b~f)所示。測試不同材料在整個光譜范圍內的吸光度情況,加入PPy-CNTs后的PCPCCs具有最高吸光度,有望提高其光熱轉換效率。進一步地發現,PCPCCs展現出快速的降溫響應,更長的相變平臺。而且,實現了高達92.9%的光熱轉換效率。因此,這些結果表明,PCPCCs具備較高的熱導率和光熱轉換效率,使其在熱能管理應用中非常有效。


3 PCPCCs的熱管理性能


  其中,通過改變PPy-CNTs含量,PCPCCs可實現最小反射損耗為?42 dB。利用計算機仿真技術(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同作用,PCPCCs具備了優異的微波吸收性能。


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復合材料可應用于集成熱管理和電磁波吸收一體化等領域。相關研究成果在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上在線發表,廣東工業大學為唯一單位,2023級材料科學與工程專業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,廣東工業大學2023級在讀博士。主要研究領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,廣東工業大學副教授。中國創新創業大賽評審專家,中國汽車工業協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新大賽評審專家,廣東高校科技成果轉化中心專家。在SmallBiosensors and BioelectronicsChemical Engineering JournalEnergyComposites Part AComposites Part B等期刊發表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歷,先后在多家世界500強企業和美國著名學府擔任過多種技術職位,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用,高性能聚合物材料的合成與加工,節能環保和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,總項目經費達數十億元。多次獲得美國國防部和美國制造協會科技成果獎、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),科技文章一百余篇(總引用指數:>2000H-index為 22)。

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(責任編輯:xu)
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