近日， 制冷與低溫工程研究所王如竹教授和李廷賢副教授等組成的能源-空氣-水ITEWA創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（Innovative Team for Energy, Water & Air）與材料學(xué)院鄧濤教授和密西根學(xué)院鮑華教授等跨學(xué)科合作，在材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊Advanced Materials上發(fā)表了題目為“High-Performance Thermally Conductive Phase Change Composites by Large-Size Oriented Graphite Sheets for Scalable Thermal Energy Harvesting”的研究論文，提出了通過構(gòu)建大尺寸石墨納米片合成高導(dǎo)熱復(fù)合相變材料的熱設(shè)計(jì)新思路。研究團(tuán)隊(duì)通過巧妙的材料設(shè)計(jì)采用低成本、高產(chǎn)量的膨脹石墨作為導(dǎo)熱強(qiáng)化添加劑，獲得了比高成本石墨烯更優(yōu)越的導(dǎo)熱強(qiáng)化效果，該方法有望加快相變材料在規(guī)模化儲(chǔ)熱及電子器件熱管理方面的商業(yè)應(yīng)用。本文的第一作者是制冷所博士研究生仵斯和李廷賢副教授，通訊作者是李廷賢副教授、王如竹教授和鄧濤教授。
隨著能源緊缺問題日益緊張，儲(chǔ)能技術(shù)越來越受到重視。儲(chǔ)能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)能源供給與需求在時(shí)間、空間及強(qiáng)度上的匹配，提高能源利用效率。全球90%的能源預(yù)算圍繞熱的轉(zhuǎn)換、輸運(yùn)和儲(chǔ)存，因此，熱能儲(chǔ)存技術(shù)在熱量調(diào)配和提高能源綜合利用效率方面具有非常重要的作用。基于相變材料的潛熱儲(chǔ)存具有儲(chǔ)熱密度高、放熱過程溫度近似恒定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。然而，相變材料的熱導(dǎo)率較低嚴(yán)重限制其充/放熱功率及熱響應(yīng)速度，進(jìn)而制約實(shí)際應(yīng)用。現(xiàn)有復(fù)合相變材料合成方法主要采用二維碳材料（如石墨納米片、多層石墨烯及單層石墨烯）用作添加劑強(qiáng)化相變材料的熱導(dǎo)率，這些二維碳材料在微納米尺度時(shí)具有超高的本征熱導(dǎo)率（>1500 W/mK）。然而將這些微納米尺度的高導(dǎo)熱添加劑與相變材料復(fù)合時(shí)，因接觸熱阻較大和導(dǎo)熱的各向異性導(dǎo)致復(fù)合材料的熱導(dǎo)率不理想，即使二維碳材料的含量高達(dá)50 wt%，想獲得熱導(dǎo)率高于10W/mK的復(fù)合相變材料仍然具有挑戰(zhàn)性。
本論文提出通過從天然石墨片直接構(gòu)建大尺寸石墨納米片的方法合成高導(dǎo)熱復(fù)合相變材料的概念，其優(yōu)點(diǎn)在于：（1）采用天然石墨片直接獲得大尺寸石墨納米片，低成本且易制備；（2）復(fù)合材料合成過程中（包括PCM顆粒粘附、融化吸附形成PCM涂層、壓力誘導(dǎo)石墨納米片定向組裝等）實(shí)現(xiàn)大尺寸導(dǎo)熱骨架重構(gòu)。基于上述材料熱設(shè)計(jì)方法合成的復(fù)合相變材料，在添加劑含量低于40 wt% 時(shí)，復(fù)合材料熱導(dǎo)率可高達(dá) 35 W/mK。另外，獲得的復(fù)合相變材料同時(shí)具有較高的熱導(dǎo)率和熱效能，通過比較發(fā)現(xiàn)，熱導(dǎo)率比文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)高出2~6倍。
在上述基礎(chǔ)上論文還對(duì)高性能復(fù)合相變材料的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了復(fù)合相變材料高導(dǎo)熱方向與傳熱方向相互協(xié)調(diào)的熱管理器件制備方法，利用石墨片層作為高導(dǎo)熱碳翅片實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱，通過將復(fù)合相變材料與換熱管結(jié)合開發(fā)了1kWh高效儲(chǔ)熱器件和15kWh高效相變蓄熱系統(tǒng)。此外，將復(fù)合相變材料用于動(dòng)力電池?zé)峁芾砜蓪?duì)高倍率工作下的電池進(jìn)行有效控溫，延長工作時(shí)間。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目（51521004）和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFE0100300） 的資助。王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA團(tuán)隊(duì)曾在Joule、iScience、Research上發(fā)表過論文，該團(tuán)隊(duì)致力于解決能源、水、空氣交叉領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。
附：Advanced Materials期刊簡(jiǎn)介
Advanced Materials是工程與計(jì)算大學(xué)科、材料與化學(xué)大領(lǐng)域(包含材料化學(xué)、材料物理、生物材料、納米材料等非常多的子學(xué)科，以及大量與材料相關(guān)的研究領(lǐng)域)的頂級(jí)期刊，影響因子為25.809，在國際材料領(lǐng)域科研界享譽(yù)盛名。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201905099
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