Carbon轻质少层石墨烯复合材料作为除冰应用的高效加热装置

　　成果简介
　　导电聚合物基复合材料具有电热性能，在许多具有挑战性的技术应用中得到了广泛的关注。越来越多地被用作智能建筑内的集成加热装置或除冰材料，应用范围从航空航天领域到土木工程领域。重量轻、热效率高、生产成本适中，使它们成为基于昂贵和较重金属的经典电热系统的极具吸引力的替代品。
　　本文，研究人员描述了一种简便的方法来制备几层石墨烯基（FLG）聚合物复合材料，该复合材料由具有导电性和薄FLG＂皮肤＂的选定聚合物基体的表面涂层获得。证明了聚合物表面最外层的低FLG浓度，加上优异且均匀的表面附着力，可以在保持底层聚合物性能不变的情况下获得快速响应且重量轻的可加热装置。复合材料的受控低温后处理确保了FLG片材与宿主聚合物基体的极高附着力。所制备的复合材料具有快速的开/关加热响应和优异的性能，曾经被用作具有除冰性能的轻质低功率加热装置。
　　图文导读
　　图1。AB) 使用专有的剥离方案对 5g/L 膨胀石墨悬浮液进行浸渍超声处理制备的 FLG 片材进行 HRTEM 分析。C) FLG 微片粉末在 532 nm 激发下的拉曼光谱。插图是指具有洛伦兹曲线拟合的 2D 带解卷积，并说明具有片状形态的样本，这是 FLG 的典型特征
　　图2。AB) 代表性 PU 和 PU/FLG 复合材料的数码照片。CD) PU/FLG 在不同放大倍数下的 SEM 图像显示复合材料表面的均匀 FLG 涂层。
　　图3。A) 用于连接外部电源的装置中 ≈ 0.1 wt.% FLG/PMMA 复合材料的数码照片。B) 施加外部低压电源 (15 V) 时复合材料表面温度的红外热图。C) 热映射与. 由位于 FLG 表面的 K 型∅ 0.5 mm 热电偶记录的时间。D) 复合材料在不同电源值下的热功率密度 (kW/m 2 )。功率计算如下：P (W) = U (V) x I (A)。
　　图4。A) 两个 PEEK 管道在涂覆/干燥（右）阶段之前（左）和之后（右）的数码照片，其中包含 6 g/L 的 FLG 片材水性悬浮液。B) 施加外部低压电源 (14 V) 时复合材料表面的红外热图。C) 0.13 wt.% PEEK/FLG 管 (1 m) 及其横截面（插图）的数码照片，在石墨烯层保护后使用耐高温有机硅树脂黑色涂料。D) 施加外部 40 V (≈4.5 A) 电源时复合材料表面的红外热图。
　　图5。A) 覆盖有薄 FLG 涂层的 PEEK 板，通过喷枪对板的选定部分涂上不同的石墨烯负载。每个部分都使用 3g/L 的 FLG 片材悬浮液进行涂漆。分别使用10、8、4、1.5和10mL的悬浮液从左到右涂覆板部分。B) 施加外部 15V 电源后复合材料表面温度的红外热图。pt1-pt3 是指表面电阻增加的三个板位置上的板温度值。
　　图6。A) ≈ 0.2 wt.% ABS/FLG 飞机模型在 T = 0 s 时的数码照片，在其表面/机翼强制结冰后。BG) 使用 24 V 外部直流电源后记录的数码照片 (BD) 和红外表面热图像 (EG)，并以 120 (BE)、240 (CF) 和 360 (DG) 秒的固定时间间隔采集， 分别。pt1-pt3 是指飞机在三个不同位置的表面温度值。
　　小结
　　综上所述，聚合物的非晶态和半晶态相的弹性和粘弹性响应有助于薄FLG沉积物的均匀粘附，同时保持本体聚合物性质几乎不变。优良的FLG附着力以及极少量的FLG电荷已经形成的渗流电网络，对制备的复合材料的电热性能以及其最终的轻质特性具有重要的益处。这些特点加上简单、廉价和易于扩展的生产方法，使得该系列复合材料具有很高的吸引力，特别是在航空航天和土木工程的专用领域。事实上，具有低功率控制其表面温度或除冰性能的轻质组件或装置可以在一些日常生活技术领域中找到具体应用。
　　本文举了几个例子来说明该技术如何为各种实际应用开辟道路：从制备0.1 wt.%FLG为低功率的平面复合散热器开始，室内加热装置到热稳定管道，用于输送热敏性流体，直至下一代复合材料，具有稳定和低功率的可加热外套，用于廉价和环保的除冰。
　　论文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.06.041