使用相变材料（PCM）的被动热能存储系统有望解决从小到大规模平台的时空过热问题，但由于固液转变而导致其形状稳定性差，导致相变材料泄漏和对机械扰动的抵抗能力较弱，限制了实际应用。虽然相变材料的泡沫稳定模板已显示出互补性，但它们揭示了液化相变材料在外部负载或冲击下的大量泄漏和塌陷。本文报道了一种由石墨烯气凝胶（GA）和元结构组成的多尺度多孔结构，使 PCM（3D-MPGA）具有强大的热机械功能，从而实现可持续的相变热能存储复合材料。采用八角桁架单元的 3D 打印机械超材料提供支撑强度并定向辅助泄漏减少，而 GA 充当具有表面界面接触的多孔模板，从而将石蜡作为 PCM 固定在其纳米/微孔内。 3D-MPGA 显示了块状 PCM 的固有热特性以及改进的热机械化学稳定性，这已通过 10 小时以上的长期加热-冷却循环测试得到证实。此外，它在环境温度和熔化温度下以低密度表现出高度增强的强度（200-5000%），并且在外部负载下保持液化相变材料的原始形状，而不会出现严重泄漏。这项工作激发了合理的策略，以推进基于 PCM 的热能存储系统的强大热机械功能。
 

图 1. 形状稳定、机械增强、3D 打印机械超材料与相变材料 (PCM) 结合的石墨烯气凝胶 (3D-MPGA) 的示意图。多尺度设计结合了基于八角桁架单元的晶格结构和微/纳米孔石墨烯气凝胶（GA），为相变材料提供了双重功能的支撑结构，作为机械坚固的主干，在固态和液态下稳定界面，同时确保热功能。
 
 
图2. 3D-MPGA 的制造过程。使用3D打印技术制造基于八位桁架晶胞的晶格，并使用水热工艺在八位桁架晶格结构内直接合成还原氧化石墨烯（RGO）水凝胶，从而将RGO水凝胶纳入八位体桁架结构。顺序冷冻干燥完成了石墨烯气凝胶 (GA) 和 3D 打印的八角桁架结构的混合结构。最后，采用真空浸渍法将PCM（石蜡）渗透到GA中，得到3D-MPGA。


图 3. GA、PGA 和 3D-MPGA 的结构、形态和界面分析。 a–c) GA、d–f) PGA 和 g–i) 3D-MPGA 的照片和扫描电子显微镜 (SEM) 图像。 3D 打印骨架和 GA 之间的界面接触，使用 j) 立体光刻 (SLA) 和 k) 熔融沉积方法 (FDM) 制造。
 
 
图 4. 石蜡、GA、PGA 和 3D-MPGA 的热特性和稳定性。 a) 石蜡、PGA 和 3D-MPGA 在 5 至 80 °C 范围内的差示扫描量热 (DSC) 曲线。 b) 热重分析 (TGA) 和 c) 25 至 500 °C 下石蜡、GA 和 PGA 相应的导数热重 (DTG) 热分析图。 d）3D-MPGA在5-80°C下100个循环之前和之后的DSC曲线。 e) 石蜡、GA 和 3D-MPGA 在 100 次循环之前和之后的傅里叶变换红外光谱 (FT-IR) 分析。
 

图5. PGA 和 3D-MPGA 在固态和液态 PCM 中针对外部机械负载的防泄漏和形状稳定性。 a) PGA 和 3D-MPGA 在 25 和 70 °C 下 30 个热循环（每次 5 分钟）的 PCM 泄漏率。 b) PGA 和 3D-MPGA 在 70 °C 下 12 小时内的 PCM 泄漏率。 c) PGA 和 3D-MPGA 在 25 和 70 °C 下经过 10 个每次 5 分钟的热循环，承受 1 kg 的机械负载时的 PCM 泄漏率。 d) 3D-MPGA 和 e) PGA 的机械压缩测试照片，以及 f) 25 °C 下的压缩应力-应变曲线。 g) 3D-MPGA 和 h) PGA 的机械压缩测试照片，以及 i) 70 °C 下的压缩应力-应变曲线。
 
 
图6. 3D-MPGA 性能以及热稳定性和机械稳定性。使用热板在 a) 40 °C 和 b) 70 °C 加热配置中石蜡、PGA 和 3D-MPGA 的瞬态温度和形状变化的热红外 (IR) 图像。 c) 3D-MPGA 和 d) PGA 在 70 °C 的加热配置和 1 kg 机械负载下的照片。机械负载移除后，e) 3D-MPGA 和 f) PGA 的剩余结构。 3D-MPGA 和其他采用 PCM 支撑结构的文献的性能比较，在 25 °C 下 10% 应变 g) 和 h) 超过 PCM 熔化温度时的潜热和应力方面进行比较。[52-57] 插图该图表示 10% 应变下应力的对数图。
 
      相关科研成果由高丽大学Wonjoon Choi等人于2024年发表在Advanced Functional Materials（https://doi.org/10.1002/adfm.202405625）上。原文：Multiscale Porous Architecture Consisting of Graphene Aerogels and Metastructures Enabling Robust Thermal and Mechanical Functionalities of Phase Change Materials
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202405625

转自《石墨烯研究》公众号